Tesis León Cedeño

1

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS QUÍMICAS

Departamento de Química Inorgánica, Orgánica y Bioquímica

Área de Química Orgánica

Síntesis de bistriazinas con aplicación en química de materiales mediante metodologías de Química sostenible

Memoria presentada por

M en C Fernando León Cedeño

para optar al grado de

Doctor en Ciencias Químicas

Ciudad Real, a 30 de septiembre de 2013

2

D. ANTONIO DE LA HOZ AYUSO, Catedrático de Química Orgánica y Dña. ANA MARÍA SÁNCHEZ-MIGALLÓN BERMEJO, Profesora titular de Química Orgánica de la Facultad de Ciencias y Tecnologías Químicas de la Universidad de Castilla–La Macha,

CERTIFICAN:

Que el trabajo de investigación titulado: “Síntesis de bistriazinas con aplicación en química de materiales mediante metodologías de Química sostenible” constituye la Memoria que presenta D. FERNANDO LEÓN CEDEÑO, Maestro en Ciencias Químicas por la Universidad Nacional Autónoma de México, para optar al Grado de Doctor en Ciencias Químicas. Asimismo, certifican que este trabajo ha sido realizado bajo su dirección en el Departamento de Química Inorgánica, Orgánica y Bioquímica de la Facultad de Ciencias y Tecnologías Químicas de la Universidad de Castilla–La Mancha, y que cumple con todos los requisitos necesarios para su presentación. Y para que así conste, firman el presente certificado en Ciudad Real, a 30 de septiembre de dos mil trece.

Fdo. Antonio de la Hoz Ayuso Fdo. Ana Mª Sánchez Migallón Bermejo

3

AGRADECIMIENTOS

A mi asesor, Dr. Antonio de la Hoz Ayuso

Excelente investigador, asesor y sobretodo una persona bondadosa en lo personal y en lo científico. Le agradezco todo su apoyo y el haber

aceptado a un doctorando con 55 años de edad

A mi asesora, Dra. Ana María Sánchez Migallón Bermejo

Siempre me trataste de hacer sentir que no estaba tan alejado de familia y amigos. Cuando lo necesité, estuviste dispuesta a ayudarme en los

problemas de laboratorio y proponerme soluciones

A mi asesora en los cálculos teóricos, Dra. María de Pilar Prieto Núñez Polo

Pilar siempre tuviste una palabra o un gesto amable cuando llegué al

laboratorio. En el momento en que me empezaste a enseñar cómo hacer los cálculos, ya interactuamos más. He aprendido mucho de ti, tanto en

cómo hacer las determinaciones con “la computadora” y sobretodo como interpretar los resultados con tu intuición química mañanera

4

A los Panchos

A la Dra. María Antonia Herrero Chamorro

Marian: desde que llegué a Ciudad Real, siempre me has ayudado, en muy diversas formas, hasta para conseguirme piso.

Desde el principio siempre sonriendo y con un gesto amable. Tuve la fortuna de que hiciéramos juntos las determinaciones del rendimiento cuántico y te conocí por tus capacidades en el ámbito

científico.

A la Dra. María Victoria Gómez de Almagro

Victoria: durante este tiempo me ha tocado ver cómo has luchado por conseguir y llegar hasta donde te encuentras. Al hacer las

determinaciones DOSY, le pusiste la cereza a mi trabajo. También vi como haces todas tus “aproximaciones” para llegar a resultados

concretos

Al Dr. Francisco Javier Guerra Navarro

Excelente investigador, siempre dispuesto a ayudar y dar consejos. Contigo hice mis primeras determinaciones de

rendimiento cuántico.

5

Al Dr. Andrés Moreno Moreno

Gracias por tus orientaciones y recomendaciones en el uso del

equipo de RMN. Siempre con un gesto amable.

Al Dr. Ángel Díaz Ortiz

Estimado Dr. Júpiter (el que todo lo sabe): finalmente me dio luz para entender que en España hay dos estaciones: 6 meses de frío y 6 meses de calor. Muy simple. Disfruté mucho los momentos de

pequeñas pláticas mañaneras y recomendaciones de buenos vinos

A todos los profesores del Departamento de Química Orgánica, con los cuales me tocó convivir durante estos tres

años, y quienes siempre tuvieron un gesto amable

A Jesús, María del Prado y Riansares, ya que gracias a su trabajo el laboratorio funciona muy bien

6

Agradezco a las siguientes personas de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) ya que durante mi estancia en México (meses de

agosto de 2011, 2012 y 2013) sinteticé algunos productos y los pude caracterizar gracias al trabajo de ellas:

Q. Alejandrina Acosta Huerta

Por la determinación de 1H-RMN y 13C-RMN

Q. Georgina Artemisa Duarte Lisci Por la determinación de espectrometría de masas

Q. Marisela Gutiérrez Franco

Por la determinación de IR

Agradezco al Programa de Apoyos para la Superación del Personal Académico de la UNAM (PASPA) por la beca que se

me otorgó para realizar mis estudios de doctorado

7

A todos mis compañeros del laboratorio de microondas de la UCLM:

No obstante la brecha generacional, siempre me hicieron sentir

bien, haciendo salidas para conocer Ciudad Real y sus alrededores. Pero sobretodo el disfrutar mi estancia en el

laboratorio, manteniendo un excelente ambiente de trabajo dentro del mismo

Cristina C., María (y su agregado cultural Víctor), José Ramón,

Alberto, Antonio M., Covadonga, Daniel y Cristina M.

A todos los compañeros NANO: Noelia, Verónica (La prima), María Isabel, María Teresa

8

A mis amigos españoles, quienes siempre tuvieron palabras amables, pude platicar de todo, convivir, y sobretodo

disfrutar de su amistad

María del Prado, Antonio Manuel, Alberto y María

Estimada Txiqui: durante estos tres años, tuve de ti palabras y gestos amables. Disfrute de tu pisto, conviví con tu muy

apreciable familia. Siempre estuviste presente en los buenos y en los malos momentos

Estimado Antoine: eres la persona más geek-frikie-superpijo

(alguien muy cercano a nosotros dijo que eres hiperpijo) que he conocido. Pese a la brecha generacional, siempre en la

convivencia diaria, silla a silla, he disfrutado las pláticas que hemos tenido.

Que la fuerza siempre te acompañe

Alber: siempre recodaré nuestros paseos dominicales en la bici, conociendo los alrededores de Ciudad Real, paseos que siempre

llevaban implícitas pláticas de todo tipo, externando nuestros buenos momentos y también nuestros problemas.

Mary Brown: siempre organizando salidas y eventos sociales,

dándole vida al laboratorio. Gracias a ti viví lo que es una boda española. Siempre con una sonrisa y dispuesta a ayudar

9

A MI MUY QUERIDA FAMILIA

A mi madre, Graciela, quien gracias a Dios está conmigo en estos momentos en los que estoy completando un ciclo en mi vida, muy aplazado, pero que ahora ya es una realidad. Espero que sientas

que todo tu esfuerzo y sacrificios han valido la pena.

A mi esposa Patricia Te amo profundamente y te estoy muy agradecido por todo lo que hemos vivido juntos y por todo tu apoyo incondicional, que me ha

permitido llegar a este momento.

A mis dos hijas, María Patricia y María Angélica (y a sus respectivos maridos)

Son mi orgullo. Están luchando por su futuro, con muchos sueños por alcanzar.

Este año una nueva generación se está abriendo paso en nuestra familia, y la primera Bendición de Dios se llama

Emilio Cedar Taylor León

A toda la familia Cedeño-Estrada Carmen y Ramón, siempre presentes y recordados con cariño.

Antonio y Ramón, solo se nos adelantaron.

Fernando, siempre al pendiente y apoyando. Gracias por todo.

10

ÍNDICE

Capítulo Página

Capítulo 1. Antecedentes 15

1.1 1,3,5-Triazinas y sus derivados 16

1.1.1 Reacciones de 1,3,5-triazinas 18

1.1.2 Síntesis a partir de cloruro de cianurilo 19

1.1.3 Formación directa del anillo de 1,3,5-triazina 25

1.2 Cianinas o -dicetiminatos. 26

1.2.1 Clasificación 27

1.2.2 Colorantes polimetino 28

1.2.3 Síntesis de cianinas 28

1.2.4 Síntesis de estreptocianinas 33

1.3 Aplicaciones de los colorantes de cianina 34

1.3.1 Celdas solares fotovoltaicas 34

1.3.2 Funcionamiento de una celda solar 35

1.3.3 Celdas solares sensibilizadas con colorante 36

1.3.4 Celda solar Grätzel 38

1.3.5 Celdas solares con puntos cuánticos 38

1.3.6 Celdas solares orgánicas y poliméricas 39

1.3.7 Derivados de 1,3,5-triazina y sus propiedades optoelectrónicas

41

1.4 Química supramolecular 45

1.4.1 Síntesis más allá de la molécula 46

1.4.2 Interacciones no covalentes y síntesis no covalente 50

1.4.3 Tipos de interacciones no covalentes 53

1.4.3.1 Interacciones ion-ion 53

1.4.3.2 Interacciones ion-dipolo 54

1.4.3.3 Interacciones dipolo-dipolo 54

1.4.3.4 Interacciones cation- 55

1.4.3.5 Interacciones anion- o interacciones - 55

1.4.3.6 Fuerzas de van der Waals 56

1.4.3.7 Interacciones de apilamiento -(apilamiento- 57

1.4.3.8 Enlaces de hidrógeno 59

1.4.4 Polimerización supramolecular 63

1.5 Química sostenible 68

1.5.1. Definición 68

1.5.2. Sostenibilidad 68

1.6 Síntesis orgánica asistida por microondas (MAOS) 72

1.6.1 Microondas. Fundamentos 72

1.6.2 Generación de microondas 74

1.6.3 Magnetrón 74

1.6.3.1 Funcionamiento del Magnetrón 75

1.6.4 Aplicadores 76

1.6.5 Interacción de la radiación electromagnética con la materia 77

1.6.5.1 Transferencia de energía, pérdida dieléctrica 78

1.6.6 Microondas y energía de enlace 79

1.6.7 ¿Por qué se favorecen las reacciones al utilizar la radiación de microondas?

80

Capítulo 2. Derivados de la para-feniléndiamina. 84

2.1 Objetivos 85

2.2 Resultados y discusión 89

2.2.1 Síntesis de bistriazinas 90

11

2.2.1.1 Preparación de 2-amino-1,3,5-triazinas-4,6-disustituídas

90

2.2.1.2 Preparación de derivados de metilhidrazina 91

2.2.1.2.1 Reacciones de disustitución 92

2.2.1.2.2 Reacciones con metilhidrazina 93

2.2.1.3 Reacciones con 1,1,3,3-tetrametoxipropano 94

2.2.1.4 Reacciones con hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N,N-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17)

95

2.2.1.5 Derivados de p-feniléndiamina 98

2.2.2 Estudio por RMN de los compuestos obtenidos 101

2.2.2.1 2-Amino-1,3,5-triazinas-4,6-disustituídas 101

2.2.2.2 Derivados de 1-(1,3,5-triazin-2-il-4,6-disustituídas)-1-metilhidrazina

102

2.2.2.3 2-(4´-aminofenilamino)-1,3,5-triazina-4,6-disustituídas

102

2.2.2.4 Bistriazinas 103

2.2.2.5 Estudios de RMN dinámica 105

2.2.2.5.1 Estudios de Resonancia Magnética Nuclear Dinámica (DNMR) en dos dimensiones (2D EXSY)

108

2.2.3 Propiedades optoelectrónicas 111

2.2.3.1 Objetivos 111

2.2.3.2 Resultados 112

2.2.3.3 Efectos de la concentración 129

2.2.3.4 Discusión y conclusiones 131

2.2.4 Espectroscopia UV-Visible. Influencia de la temperatura 132


2.2.4.2 Resultados y discusión 132

2.2.4.3 Conclusiones 138

2.2.5 Cálculos teóricos 138




2.3. Parte experimental 147

2.3.1 Equipos utilizados 148


2.3.2.1 Obtención de 6-aminotriazinas-2,4-disustituídas 150

2.3.2.2 1-Metilhidrazina-1-(1,3,5-triazin-2-il)-4,6-bisamino-4,6-bis(sustituídas)

153

2.3.2.3 Derivados de para-feniléndiamina 161

2.3.2.4 Introducción del espaciador 167

Capítulo 3. Derivados de 2,4-diaminotriazina-6-(aminofenil)sustituídas 172

3.1 Objetivos 173

3.2 Resultados y discusión 175


3.2.1.1 Síntesis de 2,4-Diamino-6-(aminofenil)-1,3,5-triazinas isómeras

177

3.2.1.2 Preparación de los sistemas diméricos, compuestos (34)-(37) y (41)

179

3.2.2 Asignación de los espectros de RMN 182

3.2.2.1 Asignación de los espectros 182

3.2.2.2 Estudios de RMN dinámica 184

12

3.2.2.3 Estudio por 1H-RMN de la desprotonación de los compuestos (34)-(36)

186

3.2.2.4 Experimentos de difusión (DOSY) 191

3.2.2.4.1 Objetivo 191

3.2.2.4.2 Resultados y discusión 191

3.2.2.4.3 Conclusiones 195

3.2.3 Estudio de las propiedades optoelectrónicas 196


3.2.3.2 Resultados 197

3.2.3.3 Efectos de la concentración 211

3.2.3.4 Discusión y conclusiones 214

3.2.3.4.1 Espectros UV-Visible 214

3.2.3.4.2 Espectros fluorescencia 214

3.2.4 Reacciones ácido-base 215




3.2.5 Espectroscopia UV-Visible. Influencia de la temperatura 231



3.2.6 Rendimiento cuántico de fluorescencia 235


3.2.6.2 Antecedentes 235


3.2.7 Conclusiones 240

3.2.8 Cálculos teóricos 241




3.3 Parte experimental 261

3.3.1 Equipos utilizados 262

3.3.2 Síntesis química 262

3.3.2.1 Obtención de 2,4-diamino-6-(aminofenil)-1,3,5-triazinas isómeras

262

3.3.2.2 Introducción del espaciador 265

3.3.2.2.1 Introducción del espaciador con Cl en posición 3

268

3.3.2.2.2 Introducción del espaciador, con el grupo (4-dodeciloxifenil) en la posición 3

270

3.3.3 Reacciones ácido base 274

Capítulo 4 Conclusiones generales 279

Capítulo 5. Bibliografía 282

13

LISTA DE ABREVIATURAS

Ac2O Anhídrido acético

AcOH Ácido acético

AcONa Acetato de sodio

ADN Ácido desoxirribonucleico

Alq3 tris(8-Hidroxiquinolinolato)aluminio

Bu2O Di-n-butil éter

CH2Cl2 Diclorometano

CHCl3 Cloroformo

CDCl3 Cloroformo deuterado

CH3CN Acetonitrilo

ICD Espectro de dicroísmo circular inducido

C6D6 Benceno hexadeuterado

DFT Teoría del funcional de densidad

DIPEA Diisopropiletilamina

DMF Dimetilformamida

DMF-d7 Dimetilformamida heptadeuterada

DMSO Dimetilsulfóxido

DMSO-d6 Dimetilsulfóxido hexadeuterado

ETL Capa de transporte de electrones

Et2O Dietil éter

HCN Ácido cianhídrico

HC(OEt)3 Ortoformiato de trietilo

HTL Capa de transporte de huecos

ITO oxido de estaño-indio

MAOS Síntesis Orgánica Asistida por Microondas

N(nBu)4Br Bromuro de tetra n-butilamonio

n-BuLi n-butillitio

OLED Diodo orgánico emisor de luz

Pd(PPh3)4 Complejo Tetrakis(trifenilfosfina)-paladio(0)

PTK Ftalimiduro de potasio

TFA Ácido trifluoroacético

THF 1,2,3,4-tetrahidrofurano

TPD N,N’-bis(3-metilfenil)-N,N’-difenil-[1,1’-bifenil]-4,4’-diamina

14

ESPECTROSCOPÍA

Coeficiente de extinción molar

Longitud de onda

Desplazamiento químico (ppm)

s Singlete

d doblete

t Triplete

c Cuadruplete 1H-RMN Resonancia magnética nuclear de protón 13C-RMN Resonancia magnética nuclear de carbono 13

IR Infrarrojo

MALDI-MS Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (espectroscopia de masas desorción/ionización láser asistida

por matriz)

TOF Time of flight (tiempo de vuelo)

pf Punto de fusión

°C Grados Celsius (centígrados)

15

CAPÌTULO 1 INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

16

En el capítulo de antecedentes haremos un repaso de las estructuras que se sintetizarán en la Tesis doctoral, así como de las metodologías de Química sostenible y de las propiedades esperables de los compuestos obtenidos.

1.1. 1,3,5-triazina y sus derivados La 1,3,5-triazina ó s-triazina es un heterociclo destacable ya que, tanto él como sus derivados pueden presentar todas las interacciones supramoleculares,1 lo que le convierte un sintón supramolecular excepcional. Por otra parte, se ha utilizado como sistema aceptor con numerosas aplicaciones en ciencia de materiales.2 Por estudios de rayos-X (Figura 1.1) la 1,3,5-triazina presenta una estructura hexagonal, plana, distorsionada, con distancias C-N de 1.319 Å, y ángulos de

enlace N-C-N de 126.8 y C-N-C de 113.2.3

Figura 1.1. Estructura de la 1,3,5-triazina

El análisis retrosintético reduce la síntesis del sistema 1,3,5-triazina por cicloreversión (transformación a), a tres moléculas de H-C≡N o de R-C≡N. En forma alterna, la ruptura de enlaces en las unidades C=N (transformación b) sugiere que se pueden usar como bloques de construcción amidas y sus análogos (ésteres imidicos o amidinas) (Esquema 1.1).

Esquema 1.1. Análisis retrosintético de la 1,3,5-triazina.

Transformación a, Esquema 1.1 La síntesis química implica utilizar como materias primas ácido cianhídrico o nitrilos, los cuales forman 1,3,5-triazinas a través de una ciclotrimerización catalizada por ácido o base, (Esquema 1.2).

R C NN

N

N

R

RR

3Acido ó

Base Esquema 1.2. Ciclotrimerización de nitrilos catalizada por ácido

17

Se propone la formación de un estado de transición cíclico para el proceso catalizado por ácido, una cicloadición [2 + 2 + 2] (Esquema 1.3).

Esquema 1.3. Mecanismo de reacción catálisis ácida.

En la reacción catalizada con base se proponen una serie de adiciones nucleofílicas (Esquema 1.4). Los nitrilos de arilo, los cianatos de alquilo y los nitrilos con sustituyentes electroatractores son los más apropiados para la ciclotrimerización. Los nitrilos de alquilo solo trimerizan a alta temperatura y presión, con rendimientos moderados.

Esquema 1.4. Mecanismo de reacción catálisis básica.

Transformación b, Esquema 1.1 Se pueden obtener 1,3,5-triazinas, trisustituidas en las posiciones 2, 4 y 6, por ciclocondensación de ésteres imidicos catalizada con ácido, con eliminación de alcohol (Esquema 1.5).4

Esquema 1.5. Obtención de 1,3,5-triazinas-2,4,6-trisustituídas.

La unión de las 3 moléculas de éster imidico, el cual funciona como un nitrilo activado, es probable que tome lugar por un mecanismo de adición-eliminación, que involucra la formación de iones iminio como intermediarios.

18

A través de esta transformación se puede obtener 1,3,5-triazina, por ciclocondensación de acetato de formamidina en presencia de ortoformiato de trietilo (Esquema 1.6).5

Esquema 1.6. Obtención de la 1,3,5-triazina a partir de acetato de formamidina.

Se ha descrito la ciclación de nitrilos en presencia de amoniaco, catalizada con Lantano (III), la cual implica la formación inicial de amidas, que también permiten obtener 1,3,5-triazinas.6 Se pueden obtener 1,3,5-triazinas-2,4,6-trisustituídas con 3 sustituyentes diferentes, a través de la ciclocondensación de acilamidinas con amidinas (Esquema 1.7). Las acilamidinas se forman por reacción de amidas con acetales de amida.7

Esquema 1.7. Obtención de la 1,3,5-triazina a partir de amidas y acetales de amida.

La condensación de 5-metoximetilen-2,2-dimetil-1,3-dioxano-4,6-diona con dos moléculas de arilamidina permite obtener 2,4-diaril-1,3,5-triazinas.8 Se cree que la formación de la triazina ocurre a través de la condensación de la primera amidina con un derivado del ácido de Meldrum, para dar el intermedio correspondiente, sobre el cual se adiciona la segunda amidina, para dar el bisaminal, que cicla para formar la 2,4-diaril-1,3,5-triazina correspondiente, con eliminación de amoniaco y ácido de Meldrum (Esquema 1.8).

Esquema 1.8. Obtención de 2,4-diaril-1,3,5-triazinas.

1.1.1. Reacciones de 1,3,5-triazinas La 1,3,5-triazina es inerte frente a electrófilos. Sin embargo, frente a nucleófilos el ataque ocurre con facilidad y con apertura del anillo, pero cuando están presentes grupos alquilo o arilo, esto ocurre bajo condiciones drásticas. En el

19

Esquema 1.9 se muestra la reacción de la 1,3,5-triazina con aminas primarias, la cual da lugar a la fisión del anillo heterocíclico para formar unidades de formamidina.

Esquema 1.9. Reacción de 1,3,5-triazina con aminas primarias

Los arenos y heteroarenos se formilan por 1,3,5-triazina, en presencia de HCl (equivalente a HCN libre en la reacción de Gattermann-Koch) (Esquema 1.10).

Esquema 1.10. Reacción de arenos con 1,3,5-triazina en presencia de HCl

Grundmann ha descrito ejemplos adicionales del potencial sintético de la 1,3,5-triazina.9 1.1.2. Síntesis a partir de cloruro de cianurilo La 2,4,6-tricloro-1,3,5-triazina se produce comercialmente por trimerización en fase gaseosa de cloruro de cianógeno sobre un catalizador de Carbono (Esquema 1.11).10

Esquema 1.11. Obtención de 2,4,6-tricloro-1,3,5-triazina a partir del cloruro de cianógeno.

Se pueden preparar una gran cantidad de derivados de 1,3,5-triazina a partir de cloruro de cianurilo,11 un reactivo comercialmente disponible y muy accesible, que es además, un sintón excelente para la síntesis directa de moléculas altamente estructuradas. De acuerdo a la regla de Moffatt,12 cada átomo de cloro del anillo de 2,4,6-tricloro-1,3,5-triazina, puede ser sustituido por un nucleófilo (Esquema 1.12). La primera sustitución es exotérmica y por eso, la SNAr debe ser llevada a cabo a 0 ºC. La segunda SNAr de un átomo de cloro, se puede conseguir a temperatura ambiente y finalmente, a reflujo del disolvente apropiado, la tercera posición puede ser funcionalizada. Como se puede observar, controlando cuidadosamente la temperatura se pueden sintetizar selectivamente diversos derivados de 1,3,5-triazina mediante la adición secuencial de nucleófilos, tales como aminas, alcoholes, tioles y reactivos de Grignard.

20

Esquema 1.12. Preparación de derivados polifuncionales de 1,3,5-triazina

aprovechando la diferente reactividad de la 2,4,6-tricloro-1,3,5-triazina.

Pueden introducirse hasta tres sustituyentes diferentes en el anillo y por tanto, tres tipos distintos de funcionalidades, dando lugar a ligandos y materiales polifuncionales y a interesantes tectones moleculares orgánicos basados en el anillo de s-triazina. Por ejemplo se ha descrito la obtención del compuesto trisustituído indicado en el esquema 1.13, el cual resultó ser un inhibidor de la proteína disulfuro isomerasa (PDIA1).13

Esquema 1.13. Obtención del compuesto trisustituído.

En el siguiente ejemplo se hace uso de dos reacciones de acoplamiento de Suzuki, para obtener un compuesto que mejora la producción de biolípidos en

la levadura durante la producción de biodisel (Esquema 1.14).14

21

Esquema 1.14. Obtención de un compuesto que incrementa la producción de biolípidos.

Strohriegl et. al.,15 describieron la síntesis de 1,3,5-triazinas como donadores, que se pueden utilizar como moléculas anfitrionas para la obtención de diodos orgánicos fosforescentes emisores de luz azul. Aplicaron la regla de Moffatt para obtener 1,3,5-triazinas-2,4,6-trisustituidas simétricamente o asimétricamente. Por ejemplo, obtuvieron 2,4,6-tris(2-metilcarbazol)-1,3,5-triazina en las condiciones que se muestran en el Esquema 1.15.

Esquema 1.15. Obtención de 1,3,5-triazinas-2,4,6-trisustituidas simétricamente o asimétricamente.

15

Aplicando la regla de Moffatt pueden introducirse dos sistemas de 3-metilcarbazol y un éter (Esquema 1.16).15

22

Esquema 1.16. Obtención de 1,3,5-triazinas trisustituidas asimétricamente.

Huang et. al.,16 obtuvieron a través de la misma aproximación 9,9’-[6-(tiofen-2-il)1.3.5-triazina-2,4-diil)]-bis(9H-carbazol) (Esquema 1.17). Los productos obtenidos se pueden utilizar como moléculas anfitrionas para la obtención de diodos orgánicos fosforescentes emisores de luz azul.

23

Esquema 1.17. Derivados de 1,3,5-triazinas obtenidas por Huang et. al.16

Siguiendo la misma aproximación Adachi et. al.,17 obtuvieron 1,3,5-triazinas 2,4,6-trisustituídas por reacción con difenilamiduro de litio (Esquema 1.18).

Esquema 1.18. Obtención de 1,3,5-triazinas 2,4,6-trisustituídas según Adachi et al.

17

A los compuestos obtenidos (Figura 1.2) se les determinaron sus propiedades optoelectrónicas para su posible uso como diodos orgánicos emisores de luz (OLED).

24

Figura 1.2. Estructura de las 1,3,5-triazinas obtenidas por Adachi et. al.

17

La estructura típica de un OLED con una hetero-estructura doble se muestra en la Figura 1.3, la cual consiste de tres capas orgánicas intercaladas entre los electrodos. Las capas orgánicas adyacentes al cátodo y al ánodo son las capas de transporte de electrones (ETL) y la capa de transporte de capa de transporte de huecos (HTL), respectivamente. Es usual que la capa de emisión (EML) consista de colorantes emisores de luz o sustancias dopantes que se encuentran dispersos en un material huésped adecuado (es frecuente que sean los mismos materiales HTL o ETL).18

Figura 1.3. Diagrama de un OLED.

Se usan dopantes emisores de luz y colorantes fluorescentes, como los compuestos obtenidos por Adachi, et. al. 17 Se evaluaron las características como OLED de los derivados de las 1,3,5-triazinas obtenidos, como EML. Utilizaron como HTL N,N’-bis(3-metilfenil)-N,N’-difenil-[1,1’-bifenil]-4,4’-diamina (TPD) y como ETL tris(8-hidroxiquinolinolato)aluminio (Alq3) (Figura 1.4). Como

25

ánodo se utilizó vidrio cubierto con una capa de oxido de estaño e indio (ITO) y como cátodo una capa de Mg-Ag. La 2,4,6-tris(1-carbazol)-1,3,5-triazina

presentó la eficiencia cuántica externa más alta (ext 10 %), y se determinó

que funciona bien como un ETL.

Figura 1.4. Estructura de TPD y Alq3, usados en la elaboración de OLED.

1.1.3. Formación directa del anillo de 1,3,5-triazina. La formación directa del anillo aromático es un método sencillo y eficiente para la preparación de triazinas simétricas sustituidas en posiciones 2, 4 y 6.19 En la literatura se han descrito numerosos métodos de trimerización de nitrilos para la formación de s-triazinas, pero también por trimerización de urea, guanidina o por reacción de nitrilos con N-cianoguanidina. Con respecto al último método, se ha descrito la reacción con diferentes sustratos y disolventes, empleando Síntesis Orgánica Asistida por Microondas (MAOS).20,21 En la Figura 1.5 se muestran algunos ejemplos.22

N

H H

NC H

NN

H

X

C

N

+KOH

MICROONDAS

N

N

N

H2N NH2

X

DMSO

X = H 91

SUSTITUYENTE RENDIMIENTO (%)

X = OCH3 77

X = NO2 85

X = Cl 88 Figura 1.5. Obtención de 2,4-diamino-6-aril-1,3,5-triazinas

26

1.2. Cianinas o -dicetiminatos. Cianina es un nombre no sistemático de una familia de colorantes sintéticos que pertenece al grupo polimetino. La palabra cianina viene de la palabra inglesa “cyan” la cual por convención significa una sombra de azul-verdoso (muy cercano a “aqua”) y se deriva a su vez del griego “kyanos" que significa “azul profundo”. Las cianinas fueron utilizadas y aún se siguen utilizando en la industria, y en forma más reciente en biotecnología. Las cianinas tienen muchos usos como colorantes fluorescentes, en particular en la generación de imágenes biomédicas. Dependiendo de su estructura, pueden cubrir el espectro desde IR a UV. El primer colorante polimetino (cianina) fue sintetizado por Williams en 1856, cuando se hizo reaccionar quinoleína cruda con yoduros de alquilo (etilo, amilo), seguido de óxido de plata, observando la formación de “un azul de gran belleza e intensidad” (Figura 1.6).23,24 Williams nombró al colorante que obtuvo de la reacción con quinoleína y yoduro de amilo como una sombra azul brillante, y al que obtuvo al tratar posteriormente con base como cianina (cyanos = azul). a)

b)

Figura 1.6. a) Compuesto obtenido por William. b) Color azul cianina.

Posteriormente, Hofmann realizó una serie de investigaciones detalladas sobre el colorante cianina, y en 1862 encontró que este colorante estaba compuesto de derivados de quinoleína y lepidina (4-metilquinoleína) ya que Williams utilizó quinoleína cruda, la cual contenía lepidina como una impureza presente en una gran cantidad (Esquema 1.19).24,25

Esquema 1.19. Formación de cianina de acuerdo a Williams y Hofmann.

Los colorantes cianina se caracterizan por sus bandas en la región UV-visible, es usual que se encuentren entre 225 y 735 nm, son intensas, nítidas y con anchos de banda de ~ 25 nm. Las cianinas no se comercializaron como colorantes en forma inmediata, ya que son propensas a la descoloración por la luz y el ácido. Una de las aplicaciones más importantes de las cianinas como colorantes es como sensibilizadores espectrales para micro-cristales de haluro de plata en películas fotográficas, ya que su espectro de absorción se desplaza con facilidad tanto por sustitución química como por agregación.26,27 Los colorantes cianina se han utilizado ampliamente para investigar los sistemas

27

biológicos, tales como la estructura helicoidal del ADN, a través de la medición de los espectros de dicroísmo circular inducido (CIE).28 Comenzaron a ser usados ampliamente como marcadores de ácidos nucléicos a principios de la década de 1990 cuando los compuestos Cy3, Cy5 y Cy7 (Figura 1.7), se obtuvieron comercialmente como ésteres succinimidilo. Estos colorantes Cy presentan un grupo R = sulfonato, por lo que son solubles en agua.29

Figura 1.7. Estructuras de los colorantes cianina Cy3, Cy5 y Cy7.

1.2.1. Clasificación Los colorantes diazina son colorantes catiónicos que contienen dos átomos de nitrógeno que forman parte de anillos heterocíclicos, y con los cuales termina una cadena de dobles enlaces conjugados. Uno de los átomos de nitrógeno tiene carga positiva y está unido por la cadena que tiene un número impar de átomos de carbono con el otro nitrógeno. En un colorante diazina, la secuencia de los grupos metino (-CH=) es la que determina la absorción de la luz visible, los cuales es usual que posean la configuración (E) o trans. Los átomos de carbono de la cadena metínica se pueden sustituir por heteroátomos, y pueden tener otros grupos diferentes a H. Si se extiende la conjugación de la cadena metínica, esto da lugar a máximos de absorción a longitudes de onda y absortividades molares grandes, las cuales son típicas de los colorantes cianina. Al determinar las longitudes de enlace por rayos X, se observa que la carga positiva en el átomo de nitrógeno se encuentra deslocalizada en forma significativa a lo largo de la cadena y extendiéndose hacia el otro heteroátomo. Las cianinas tienen dos grupos terminales, uno de ellos con carácter donador de electrones D y el otro aceptor de electrones A (Esquema 1.20).30

Esquema 1.20. Formas resonantes en una cianina.

Si uno o los dos átomos de nitrógeno forman parte de anillos, estos colorantes se llaman cianinas, hemicianinas o estreptocianinas (Figura 1.8).

N Nn

N NN N

ESTREPTOCIANINASHEMICIANINASCIANINA CERRADA

Figura 1.8. Tipos de cianinas.

Otra clasificación tiene en cuenta el número de grupos metino. La nomenclatura Cy3 y Cy5 fue propuesta originalmente por Ernst, et. al.,29 y no es muy utilizada ya que no da información sobre su estructura química. En el artículo original el número designado es el número de grupos metino como se muestra en la Figura 1.9. Los grupos R no necesitan ser idénticos. En los

28

colorantes es usual que sean cadenas alifáticas cortas, terminado una o la otra en grupos funcionales reactivos como la N-hidroxisuccinimida o maleimida.

Figura 1.9. Ejemplos de cianinas con la nomenclatura de Ernst, et al.

1.2.2. Colorantes polimetino Si bien el nombre genérico cianina se aplica a sistemas con dos átomos de nitrógeno, uno de los cuales tiene carga positiva y está unido por una cadena conjugada con un número impar de átomos de carbono al otro nitrógeno, esto dio lugar a un estudio de más amplio de alquenos Push-Pull (dadores-aceptores) y forma la base de los colorantes polimetinos, los cuales contienen la unidad estreptopolimetino como cromóforo. Estos colorantes se clasifican como estreptopolimetinos y hemicianinas cationicas, oxonoles estreptopolimetinos aniónicos, estreptopolimetinos merocianinas neutras, y cianinas basadas en la escuarina zwitterionicas, lo cual depende de la carga en la unidad de estreptometino (Figura 1.10).31

Figura 1.10. Tipos de colorantes polimetino.

1.2.3. Síntesis de cianinas

La reacción diseñada por Williams para obtener la cianina, se ha aplicado para obtener otros colorantes con diversas estructuras. Un método general para la síntesis de colorantes estilbasolio (hemicianinas) involucra la condensación de una sal de amonio cuaternaria 2 ó 4 metil sustituida con derivados de benzaldehído en presencia de una base apropiada (Esquema 1.21).32

29

Esquema 1.21. Síntesis de colorantes estilbasolio de acuerdo a Mishra, et al.

33

Koiraiem et al.,33 sintetizaron una serie de dimetinocianinas por oxidación selectiva de 4-benciliden-2-metiloxazol-5-ona con dióxido de selenio en presencia de dioxano para formar el 2-carboxaldehído, el cual a través de una posterior condensación con una cantidad equimolecular de una sal de amonio cuaternaria en presencia de piperidina, dio lugar al correspondiente colorante (Esquema 1.22).

Esquema 1.22. Síntesis de dimetinocianinas de acuerdo a Koiraiem et al.

Los colorantes deben ser estables frente a la luz, calor, oxígeno y ozono. El mecanismo de fotodecoloración de los colorantes es complicado e involucra procesos oxidativos o reductivos, dependiendo de las circunstancias. Para incrementar la fotoestabilidad de los colorantes, Matsui et. al.,34 introdujeron múltiples enlaces conjugados sustituidos a través del cromóforo. Así, sintetizaron una serie de colorantes piridinio y pirilio, mono-, bis- y trisustituidos a través del procedimiento general que se muestra en el Esquema 1.23.

30

Esquema 1.23. Síntesis de colorantes piridinio y pirilio, Matsui et. al.

Se ha publicado una excelente revisión sobre la obtención de cianinas cerradas.35 Una manera de obtener cianinas con impedimento estérico se muestra en el Esquema 1.24. Romieua et. al.,36 describieron la síntesis de un colorante cianina pentametino con un derivado de aminoácido. La síntesis de la cianina derivada del aminoácido parte de 2,2,3-trimetil-1H-benzo[e]indol. El primer paso consistió en una reacción de alquilación con ácido 6-bromohexanoico para formar la amina secundaria correspondiente. En el segundo paso se trató la amina secundaria con clorhidrato de 1,5-difenil-1,5-diaza-1,3-pentadienio en presencia de una mezcla 1:1 de ácido acético-anhídrido acético, bajo calentamiento a reflujo, para dar el producto de condensación correspondiente. Esta reacción se ha descrito por otros autores para obtener cianinas con aminas poco reactivas.37 En el tercer paso, se hizo reaccionar 2,2,3-trimetil-1H-benzo[e]indol con N-(4-bromobutil)ftalimida para formar la sal de amonio cuaternaria. En el cuarto paso se hacen reaccionar la sal de amonio cuaternaria con el producto de condensación del segundo paso, en presencia de una mezcla 1:1 de ácido acético con piridina, bajo calentamiento a reflujo para dar el producto de condensación. Finalmente se llevó a cabo la eliminación del grupo protector por reacción con un exceso de hidrato de hidrazina para dar el colorante diazina.

31

Esquema 1.24. Ruta sintética descrita por Romieua et. al.

Aneja, et. al.,38 sintetizaron una serie de colorantes heptacarbocianinas, los cuales presentaron actividad citotóxica frente a células cancerosas (Esquema 1.25). La alquilación de 2,3,3-trimetil-3H indolenina con ácido 6-bromohexanoíco produjo la sal correspondiente, la cual al hacerla reaccionar con el reactivo de Vilsmeier-Haack, dio lugar a los colorantes heptacarbocianinas correspondientes.

32

Esquema 1.25. Obtención de colorantes heptacarbocianinas de acuerdo a Aneja, et. al.

Las propiedades optoelectrónicas de las cianinas pudieron modificarse, al sustituir el átomo de Cl de la cadena por diferentes nucleofilos (Figura 1.11).39

Figura 1.11. Cianinas obtenidas por Strekowski et. al.

Por ejemplo, empleando diferentes nucleófilos y mediante una reacción de Sustitución Nucleofílica Radicálica Unimolecular (SRN1), Strekowski et. al., consiguieron aumentar la fotoestabilidad y el rendimiento cuántico en la fluorescencia (Esquema 1.26).

33

Cl

N

I

N

[Nu]

SRN1

Nu

N

I

N

Nu: -NH-Me -H -OMe O S S N C S P

mäx (CH3OH) = 615 nm 820 nm

Esquema 1.26. Productos de SRN1 obtenidos por Strekowski et. al.

1.2.4. Síntesis de estreptocianinas. Las estreptocianinas se pueden obtener a partir de compuestos 1,3-dicarbonílicos, los cuales se hacen reaccionar con aminas primarias para obtener los correspondientes colorantes. Por ejemplo, se ha descrito la reacción del 1,1,3,3-tetrametoxipropano con derivados de anilina, en presencia de ácido perclórico para obtener la estreptocianina correspondiente (Esquema 1.27).37,40,41

Esquema 1.27. Obtención de estreptocianina a partir de aminas primarias y 1,1,3,3,-tetrametoxipropano.

Kamimura et. al.,42 describieron un método para obtener el correspondiente 3-ciano derivado como su base libre, utilizando el 1,3,3-tributoxi-2-cianopropeno como equivalente de malonaldehído, el cual en presencia de ácido acético acuoso se hidroliza. Cuando el precursor del compuesto 1,3-dicarbonílico se trata con un derivado de anilina se obtiene el colorante correspondiente (Esquema 1.28).

CN

BuO OBu

OBu

1) AcOH, H2O

2) Ph-NH2

NH

N

CN

H H

Esquema 1.28. Obtención de estreptocianinas partir de 1,3,3-tributoxi-2-cianopropeno.

De manera similar se ha descrito la preparación de estreptocianinas como base libre a partir de derivados de malonaldehido por reacción con arilaminas (Esquema 1.29).37

Ar-NH2, EtOHN

HN

R

H H

O O

HH

R

R = Cl, Br, NO2 Esquema 1.29. Obtención de estreptocianinas a partir de malonaldehidos 2-sustituidos.

34

Davies, et al.,43 utilizan otro precursor de malonaldehído, el hexafluorofosfato de 3-cloro-1,1,3,3-tetrametil-1,5-diazapenta-1,3-dienio, el cual se obtiene por reacción de cloruro de cloroacetilo con dimetilformamida y oxicloruro de fósforo bajo las condiciones de Vilsmeier (Esquema 1.30). La ventaja es que en la reacción de condensación con aminas primarias, se elimina un gas: la dimetilamina.

Esquema 1.30. Obtención del hexafluorofosfato de 3-cloro-1,1,3,3-tetrametil-1,5-diazapenta-1,3-dienio.

Se ha descrito la conversión del perclorato de 3-(4-dodecaoxifenil)-1,1,5,5-tetrametil-1,5-diaza-3(E)-1,3-pentadienio en la estreptocianina correspondiente, por reacción del perclorato anterior con anilinas sustituidas o feniléndiaminas. La obtención del perclorato de 3-(4-dodecaoxifenil)-1,1,5,5-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadienio se llevó a cabo al hacer reaccionar ácido 4-dodecaoxifenilacético con el reactivo de Vilsmeier. La condensación con p-feniléndiamina y posteriormente con trietilamina, permitió obtener la sal de 3-(4-dodecaoxifenil)-1,5-(4’-aminofenil)-1,5-diaza-3(Z)-1,3-pentadienio (Esquema 1.31).41

Esquema 1.31. Obtención de 3-(Z)-3-(4-dodecaoxifenil)-1,5-bis(4-aminofenil)-1,5-diaza-1,3-pentadieno.

1.3. Aplicaciones de los colorantes de cianina La primera aplicación que tuvieron los colorantes de cianina fue como sensibilizadores de luz en emulsiones de haluro de plata en una región del espectro en la que normalmente el haluro de plata no es sensible.44 Además de su aplicación en fotografía estos colorantes encontraron una amplia gama de aplicaciones como medio de grabación en discos ópticos,45 en pinturas industriales, atrapando la energía,46 como materiales para LASER,47 en sistemas para captación de luz,48 como material fotoreactivo,49 como agentes antitumorales50 y como sondas para detectar por fluorescencia actividades en sistemas biológicos. 1.3.1. Celdas solares fotovoltaicas.51

La investigación de nuevos materiales para aplicación en celdas solares, en forma tradicional han estado dominadas por superconductores hechos de materiales inorgánicos, como el silicio (Si) y el arseniuro de galio (GaAs), y han sido influenciados en menor medida por el sulfuro de cadmio (CdS).52 Con estos materiales se producen dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia

35

mediante los cuales la luz del sol se convierte directamente en electricidad. En el caso de las celdas de Si y GaAs, los estrictos requisitos de pureza y las técnicas de fabricación de dispositivos complicados, provocan unos costos tan elevados para estos dispositivos que la utilización práctica a gran escala de estas celdas fotovoltaicas es económicamente inviable en estos momentos (Figura 1.12).55

a) b)

Figura 1.12. Imágenes de celdas solares. a) Celda de silicio monocristalino. b) Celda solar monocristalina durante su fabricación

1.3.2. Funcionamiento de una celda solar

En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando al pasar un ”hueco“. Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, se disipa. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él, así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila (Figura 1.13).

Figura 1.13. Partes de una celda solar

53

Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión pn, entre dos capas dopadas respectivamente, p y n: 1) La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo n. En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, como carga negativa (electrones). El material permanece eléctricamente neutro, siendo la red cristalina quien tiene globalmente una carga negativa. 2) La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo p. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una

36

capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (p). En el momento de la creación de la unión pn, los electrones libres de la capa n entran en la capa p y se recombinan con los huecos en la región p. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región n a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en p a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de n hacia p. Este campo eléctrico hace de la ZCE un diodo, que solo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de n hacia p. En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región n (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada p (que se convierte en el polo positivo). Este fenómeno es más eficaz en la (ZCE), donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la (ZCE). Cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separan y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) podría recombinarse antes de llegar a la zona n (respecto la zona p). Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, por lo que no es útil dar un gran espesor a la celda.

1.3.3. Celdas solares sensibilizadas con colorante Una aproximación, menos popular, en la investigación de materiales para celdas solares ha sido el estudio de compuestos orgánicos fotoconductivos en el modo fotovoltaico. El colorante que recibe la luz es claramente un componente crucial en el diseño de la célula y debe cumplir varios criterios; absorción en la superficie metálica, solapamiento efectivo con el espectro solar, inyectar electrones de una manera eficiente dentro del óxido metálico y ser estable durante muchos millones de ciclos. Los colorantes orgánicos han sido utilizados en forma exitosa, como lo atestiguan los numerosos artículos sobre el uso de bayas (frutos rojos) como colorantes en estas celdas. En la figura 1.14, se muestran las estructuras de colorantes bases que han sido usados como sensibilizadores en las celdas solares.

37

Figura 1.14. Colorantes que se usan como sensibilizadores en celdas solares.

Las celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC, Dye sensitized solar cell) se hacen con materiales de bajo costo y no necesitan para su manufactura de equipos muy complicados. Por ello son las más estudiadas ya que las pueden producir los propios equipos de investigadores. Por volumen, estas celdas deberían ser significativamente menos costosas que las de celdas de estado sólido. Las DSSC se pueden diseñar en forma de láminas flexibles (Figura 1.15),54 y aunque su eficiencia de conversión es inferior a las mejores celdas de película fina, la relación precio/rendimiento es lo suficientemente alto como para no poder competir con la generación eléctrica a partir de combustibles fósiles.

Figura 1.15. Película de DSSC, compañía G24i Innovations Ltd, UK.

56

Un colorante metalorgánico de Rutenio que se usa como una monocapa de material que absorbe la luz es el triscarboxi-rutenio terpiridina [Ru(4,4',4"-(COOH)3-terpy)(NCS)3] (Figura 1.16). La fotosensibilidad de los electrodos semiconductores que se usan en celdas fotovoltaícas, se extiende a longitudes de onda largas cuando los colorantes de cianina típicos se usan para sensibilizar espectralmente la separación fotoinducida de los electrones y huecos Las celdas solares sensibles a los colorantes dependen de una capa

38

mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio que amplía el área de la superficie (200–300 m2/g TiO2, comparado con aproximadamente 10 m2/g TiO2 de un solo cristal plano). Los electrones fotogenerados por absorción de la luz por el colorante pasan al tipo n del TiO2, y los huecos son absorbidos por un electrolito en el otro lado del colorante. El circuito se completa por un par redox en el electrolito, el cual puede ser líquido o sólido. Este tipo de celda permite fabricar pantallas flexibles y/o el uso de boquillas ultrasónicas, lo cual permite una potencial reducción de costos con respecto a las celdas solares que se producen a granel. Sin embargo, los colorantes en estas celdas también presentan degradación por calor o luz UV, y la cubierta de la celda es difícil de sellar debido a los disolventes usados en el ensamblaje. La primera celda solar DSSC comercializada se lanzó al mercado en julio de 2009 en la compañía de Innovaciones G24i del Reino Unido.54,55

Figura 1.16. Estructura de triscarboxi-rutenio terpiridina.

1.3.4. Celda solar Grätzel La celda solar Grätzel también conocida como celda solar sensibilizada por colorante (DSSC) produce electricidad mediante un principio foto-electro-químico, cambiando la energía luminosa en energía eléctrica. Esta celda también se conoce como celda electroquímica de color, y fue diseñada por Grätzel en 1991. La celda se construyó con materiales de bajo costo y con un proceso de fabricación extremadamente simple. La estructura de la celda consiste de dos electrodos planos (electrodo compuesto y simple) y un tinte (colorante) que genera electrones al contacto con la luz. El electrodo simple es básicamente un vidrio eléctricamente conductor (Figura 1.17). El electrodo compuesto está constituido por nanocristales de dióxido de titanio (nc-TiO2) depositado en un vidrio conductor. El valor típico de la distancia entre los electrones es de 20-40 µm. Ambos electrodos constan de una superficie interna eléctricamente conductora (ej. oxido de titanio dopado con flúor FTO (Fluorine doped Tin Oxide; F:SnO2), cuyo espesor típico es de 0,5 µm.56,57,58

Figura 1.17. Diagrama de celda solar Grätzel.

1.3.5. Celdas solares con puntos cuánticos Las celdas solares con puntos cuánticos (QDSC, Quantum Dot Solar Cells) se basan en la celda de Grätzel, en la que se emplean nanopartículas semiconductoras con una banda prohibida (band gap) baja (Figura 1.18), fabricadas con cristales de tamaño pequeño que son los que forman los puntos

39

cuánticos (tales como CdS, CdSe, Sb2S3, PbS, etc.), en lugar de los colorantes orgánicos o inorgánicos como los que absorben la luz (Figura 1.19).

Figura 1.18. Diagrama banda prohibida (band gap)

Los puntos cuánticos han llamado la atención debido a sus propiedades únicas. Su tamaño permite la cuantificación de la banda prohibida para ser ajustada por un simple cambio en el tamaño de partícula. También presentan coeficientes de extinción altos, y han mostrado la posibilidad de poder generar extinciones múltiples.59

Figura 1.19. Esquema de celda solar con puntos cuánticos

En una QDSC, una capa mesoporosa constituida por nanopartículas de óxido de titanio forma el núcleo de la celda, al igual que en una DSSC. Esta capa de TiO2 puede hacerse fotoactiva al recubrirla con puntos cuánticos semiconductores por deposición usando un baño químico, o una deposición electroforética, o por una serie sucesiva de reacción y adsorción de una capa iónica. El circuito eléctrico se completa por el uso de un par redox líquido o sólido. Durante los últimos 3-4 años, la eficiencia de las QDSC se ha incrementado en forma notable,60 con eficiencias del 5 % para celdas en estado sólido.61

1.3.6. Celdas solares orgánicas y poliméricas Las celdas solares orgánicas son una relativamente nueva tecnología. Estas celdas se pueden procesar a partir de una disolución, por lo tanto, la posibilidad

40

de un proceso de impresión rollo-a-rollo es sencilla, lo que conduce a la producción a gran escala y con un bajo costo. Las celdas solares orgánicas y poliméricas se construyen a partir de películas delgadas (normalmente 100 nm) de semiconductores orgánicos, incluidos polímeros, tales como polifenilenvinileno y moléculas pequeñas, como derivados de ftalocianina de cobre (un pigmento orgánico azul o verde) y fullerenos y sus derivados tales como PCBM (fullereno 1-(3-metoxicarbonil)-propil-1-1-fenil- (6,6)C61 (PCBM)). La eficiencia de conversión en energía lograda hasta la fecha con polímeros conductores es baja en comparación con los materiales inorgánicos. Sin embargo, se ha mejorado rápidamente en los últimos años y la más alta la eficiencia certificada ha llegado al 8,3% para el plástico de alimentación Konarka (NREL, National Renewable Energy Laboratory).62 Además, estas celdas podrían ser beneficiosas para algunas aplicaciones donde la flexibilidad mecánica y facilidad de disposición son importantes. Estos dispositivos difieren de las celdas solares de semiconductores inorgánicos en que no se basan en el campo eléctrico que se genera por una unión pn para separar los electrones y los huecos creados cuando se absorben fotones. La región activa de un dispositivo orgánico se compone de dos materiales, uno que actúa como un donador de electrones y el otro como un aceptor. Cuando un fotón se convierte en un par electrón-hueco, típicamente en el material del donador, las cargas tienden a permanecer unidas en forma de un excitón, y se separan cuando el excitón difunde a la interfase con el donante-aceptor. Las longitudes de difusión de excitones cortas de la mayoría de los sistemas de polímeros tienden a limitar la eficiencia de tales dispositivos. Las interfaces nanoestructuradas, a veces en forma de heterouniones a granel, pueden mejorar el rendimiento.63 Lunt, et. al.,64 del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad Estatal de Michigan desarrollaron las primeras celdas solares transparentes con una eficiencia alta, las cuales tenían una eficiencia de potencia cerca del 2% con una transparencia para el ojo humano superior al 65%. Esto se logró a través de la absorción selectiva de la luz ultravioleta y partes del infrarrojo cercano (NIR) del espectro con compuestos de moléculas pequeñas. Investigadores de UCLA desarrollaron más recientemente una celda solar polímerica análoga, siguiendo el mismo enfoque, con una transparencia del 70% y con una eficiencia de conversión de potencia del 4%. Los límites de eficiencia de ambas celdas solares orgánicas opacas y transparentes se describieron recientemente.65,66 Estas celdas ligeras y flexibles, se pueden producir en grandes cantidades a un bajo costo, y se podrían utilizar para crear ventanas que generen energía. Verduzco, et. al.,67 describieron celdas polímericas con una eficiencia del 3%. Usaron copolímeros de bloque, materiales orgánicos de autoensamblaje que se organizan en capas distintas. La investigación se centró en P3HT-b-PFTBT, el cual es un copolímero poli(3-hexiltiofeno)-bloque-poli((9,9-dioctilfluoreno)-2,7-diil-alt-[4,7-bis(tiofen-5-il)-2,1,3-benzotiadiazol]2’,2’’-diilo), el cual se separa en bandas de unos 16 nm de ancho. Los polímeros presentan una tendencia natural a formar bandas perpendiculares al vidrio. Con una capa de aluminio en el otro lado del dispositivo, las bandas de polímero se extendían desde la parte superior de los electrodos de fondo y proporcionaban un camino claro para que los electrones fluyeran.

41

1.3.7. Derivados de 1,3,5-triazina y sus propiedades optoelectrónicas

Li, et al.,68 sintetizaron una serie de colorantes derivados de 1,3,5-triazina, del

tipo donador--aceptor, utilizando la 1,3,5-triazina como espaciador (Figura

1.20).

Figura 1.20. Algunos de los compuestos obtenidos por Li et al.

Se determinó su rendimiento fotovoltaico y se observó una eficiencia en la conversión fotón-electrón global del 1.8 %, empleando celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC) con el colorante que se muestra en la parte inferior de la Figura 1.20. Su estructura presenta grupos donadores (push), difenilamino, y grupos atractores (pull), nitrilo y carboxílo, con lo que se favorece el transporte de electrones de los donadores hacia los atractores. Sekar, et al.,69 siguieron una secuencia sintética similar para sintetizar una

serie de colorantes derivados de 1,3,5-triazina, del tipo donador--aceptor--

donador--aceptor, actuando la 1,3,5-triazina como aceptor (Figura 1.21).

42

Figura 1.21. Algunos de los compuestos obtenidos por Sekar, et. al.

Observaron un fuerte sistema donador-aceptor, el cual mostró desplazamientos de Stokes altos y una buena estabilidad térmica. Todos los compuestos mostraron un comportamiento positivo en solvatofluorescencia con disolventes

que van de no polares a polares. El sistema donador--aceptor--donador--

aceptor, en el que la 1,3,5-triazina participa como aceptor, favorece el transporte de electrones de los donadores hacia los atractores. Zhou, et. al.,70 llevaron a cabo la síntesis de los derivados de 1,3,5-triazina que se muestran en la Figura 1.22. Su intención era determinar relaciones estructura-actividad, sobre todo cómo influyen en las propiedades fotofísicas de

los productos obtenidos un enlace y un par de electrones como puentes, partiendo de la 1,3,5-triazina.

43

Figura 1.22. Compuestos obtenidos por Zhou, et. al.

Se determinaron sus propiedades de emisión por espectroscopia de fluorescencia de dos fotones. Los cromóforos obtenidos mostraron efectos solvatocrómicos importantes, i.e. desplazamientos en el espectro de emisión desplazamientos de Stokes grandes al emplear disolventes polares. La

conclusión a la que llegaron los autores es que un par de electrones como

puente es una manera eficiente de transferir carga, al igual que un puente . Kawamura, et al.,71 sintetizaron colorantes en los que se encuentran derivados de cianinas (concretamente escuarinas) y 1,3,5-triazinas, como parte de un proyecto para desarrollar generadores de fotoradicales. Las estructuras de los compuestos obtenidos se muestran en la Figura 1.23.

Figura 1.23. Escuarinas obtenidas por Kawamura, et al.

Los compuestos bifuncionales sintetizados presentaron una transferencia de electrones fotodisociativa intramolecular. Los compuestos fueron utilizados como generadores de fotorradicales con luz roja. La actividad fotoquímica de la diada se comparó con los sistemas disociados correspondientes, escuarina (S)

44

y 1,3,5-triazina (T) (S + T) mediante la determinación de la constante de velocidad de transferencia de electrones. Se observó una transferencia de electrones fotodisociativa de la funcionalidad escuarina hacia la funcionalidad triazina (S→T), cuando la cadena alquílica tiene n = 2 (Figura 1.24). Esto dio lugar a la ruptura del enlace C-Cl, formándose un radical libre centrado en carbono. Los radicales Cl generados se utilizaron para llevar a cabo reacciones de polimerización de acrilato. La eficiencia de la generación de radicales a partir de la díada en comparación con los dos sistemas no enlazados se demostró mediante la medición de la tasa máxima de polimerización por radicales libres de acrilatos en película. Se encontró una excelente relación entre la tasa de transferencia de electrones y la velocidad de polimerización, lo que evidencia el interés de este nuevo enfoque para producir eficientemente radicales bajo la luz roja.

Figura 1.24. Mecanismo de reacción transferencia de electrones.

45

1.4. Química supramolecular La química supramolecular implica el dominio de la química más allá de las moléculas y se centra en sistemas químicos formados por un número discreto de subunidades moleculares o de componentes ensamblados. Mientras que la química tradicional se centra en el enlace covalente, la química supramolecular examina las interacciones débiles y reversibles no covalentes entre moléculas. Estas fuerzas incluyen enlaces de hidrógeno, de coordinación

de metal, fuerzas hidrófobas, fuerzas de van der Waals, interacciones - y efectos electrostáticos. Las bases de la química supramolecular fueron establecidas por Cram, Lehn, y Pedersen. En reconocimiento a su labor en este ámbito, les fue otorgado el Premio Nobel de Química en 1987, por su “desarrollo y uso de moléculas con una estructura específica con interacciones de una alta selectividad”.72 En 1967, Pedersen publicó dos trabajos,73 que se han convertido en clásicos, en los que se describen métodos para sintetizar poliéteres cíclicos, a los que denominó éteres corona (Figura 1.25).

Figura 1.25. Éteres corona de acuerdo a Pedersen.

Pedersen demostró que estos compuestos tienen propiedades notables e inesperadas, se pueden unir específicamente a iones de metales alcalinos (litio, sodio potasio, rubidio y cesio) formando complejos muy estables. La selectividad encontrada está determinada por el hecho de que los éteres corona presentan dentro de su estructura "huecos o cavidades" de diferentes tamaños, en los que diferentes iones metálicos esféricos encajan de acuerdo a su tamaño (Figura 1.26).

Figura 1.26. Complejo éter 18-corona-6 con catión potasio.

En 1969, Lehn se basó en el descubrimiento fundamental de Pedersen, y desarrolló compuestos bicíclicos de éteres corona que llamó criptandos (Figura 1.27), los cuales muestran una mayor selectividad al formar complejos.

46

a)

b)

Figura 1.27. a) 2.2.2-criptando. b) Complejo 2.2.2-criptando con el catión potasio de acuerdo a Lehn.

Posteriormente Lehn y Cram por separado, desarrollaron compuestos orgánicos cada vez más sofisticados, los cuales cuando forman complejos dejan fisuras y cavidades donde los compuestos de bajo peso molecular con diferentes tipos de simetría se pueden unir (Figura 1.28).

c)

Figura 1.28. Complejo huésped-anfitrión de acuerdo a Cram.

1.4.1. Síntesis más allá de la molécula74 Las moléculas se pueden considerar simplemente como colecciones de átomos conectados unos a otros, mediante redes de fuertes enlaces químicos cinéticamente estables,75 que resultan del solapamiento parcial de orbitales atómicos. Se habla por lo tanto, de química molecular, es decir, de la química del enlace covalente, que atañe al conocimiento de las reglas que gobiernan las estructuras, propiedades y transformaciones de las especies moleculares. En las reacciones químicas, diferentes moléculas reaccionan entre ellas rompiendo y formando nuevos enlaces. Estos procesos son relativamente lentos, y es normal que tengan barreras cinéticas altas. Es así como se conoce el término de síntesis desde un punto de vista clásico, implicando la construcción de sistemas moleculares resultantes de la formación secuencial de enlaces covalentes. El desarrollo de métodos de construcción de estos sistemas, ha sido un objetivo principal de la química orgánica, y el éxito de estos métodos ha hecho posible el poder, la elegancia y la utilidad de la síntesis orgánica moderna. Hoy en día, sin embargo, ni siquiera los mejores químicos sintéticos son capaces de fabricar complejos nanosistemas, análogos a los presentes en la naturaleza, aplicando únicamente como herramienta de trabajo el enlace covalente. De hecho, la síntesis controlada de estructuras moleculares con pesos mayores a 1000 Dalton a través de la formación de enlaces covalentes,

47

representa un desafío formidable, con la excepción de la síntesis de dendrímeros. Es conocido que la química orgánica ha obtenido su inspiración y motivación innumerables veces en la naturaleza. En este sentido, otra posibilidad de síntesis, es utilizar la formación de interacciones intermoleculares no covalentes mucho más débiles y cinéticamente lábiles, tales como: interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals, efectos hidrofóbicos,

interacciones de - stacking, coordinación con metales y enlaces de

hidrógeno. Estas interacciones se pueden usar, de la misma manera que la naturaleza lo hace, para unir bloques de construcción o tectones moleculares, definiéndose estos últimos como cada una de las partes funcionales y estructurales bien conocidas, que sirven para la construcción de arquitecturas funcionales mayores. Fue así, como Lehn76 adoptó el término “química supramolecular” o “química más allá de la molécula.” Se trata del estudio de entidades organizadas de alta complejidad, que resultan de la asociación de dos o más especies a través de fuerzas intermoleculares. En 1966, durante la investigación de los procesos que ocurrían en el sistema nervioso, Lehn comenzó a preguntarse cuál era la mejor forma que un químico tenía para contribuir al estudio de estas funciones biológicas. Se pretendía estudiar los procesos eléctricos que suceden en las células nerviosas y que se basan en los cambios en la distribución de los iones sodio y potasio a través de la membrana. Previamente, se había demostrado que un dodecadepsipéptido

(ciclodepsipéptido) llamado Valinomicina77 era capaz de mediar el transporte del ion potasio en la mitocondria (Figura 1.29). Estos resultados, le llevaron a pensar que con ciclopéptidos análogos especialmente diseñados, se podrían obtener medios para monitorizar la distribución de cationes y su transporte a través de las membranas, cuando éstos, al complejar metales alcalinos, formasen un complejo supramolecular. El mimetismo en procesos selectivos de reconocimiento en sistemas biológicos, fue una gran fuente de inspiración para los primeros investigadores.

Figura 1.29. Estructura de la Valinomicina y su complejo con K.

Lehn,78 publicó la síntesis de moléculas macrocíclicas para el enlace selectivo de iones o pequeñas moléculas orgánicas usando interacciones no covalentes (Figura 1.30). A partir de aquí se lanzó el concepto de “química del ensamblaje molecular y del enlace intermolecular,” más coloquialmente conocida como “la química más allá de la molécula”. Otro tipo de definiciones, incluyen expresiones como “la química del enlace no covalente” o “química no molecular”.79

48

NN

Rb+

O O

N N

O O

O O

n+

1 2

NN

Rb+N

NRb+

O O

N N

O O

O O

n+

1 2

Figura 1.30. Representación de los criptatos selectivos formados a partir de criptandos macrobicíclicos y el catión cuyo tamaño es complementario al tamaño de la cavidad.

Para continuar con el desarrollo de la química supramolecular, se requiere el uso de todas las fuentes y recursos de la química molecular, combinada con el diseño manipulado de interacciones no covalentes que formen entidades supramoleculares, es decir, las llamadas supermoléculas, que posean características tan bien definidas como las de las moléculas en sí. En este sentido es importante decir, que los enlaces intermoleculares son a las supermoléculas, lo que los enlaces covalentes son a las moléculas y átomos (Esquema 1.32).

Esquema 1.32. Desde la química molecular a la química supramolecular.

Basándose en estas primeras ideas, en química supramolecular, las moléculas anfitrionas (host), están diseñadas y sintetizadas por su habilidad para interaccionar específicamente con otras moléculas huésped (guest) o para formar agregados mayores. En primera instancia, hay que emplear la síntesis covalente secuencialmente para crear subunidades que, mediante interacciones no covalentes, puedan agregarse con ellas mismas o con otras subunidades para dar lugar a ensamblajes supramoleculares estables y estructuralmente definidos. De esta manera, se puede considerar que la química supramolecular actual, está dividida en dos amplias áreas, parcialmente solapadas: 1) Supermoléculas: Son especies oligomoleculares bien definidas que resultan de la asociación intermolecular de varios componentes, como por ejemplo, un receptor y su sustrato, siguiendo el principio de construcción “Aufbau” (Esquema 1.33).80

49

Esquema 1.33. Receptor sintético, ácido borónico y un azúcar, su sustrato.

2) Ensamblajes moleculares: Son sistemas polimoleculares que resultan de la asociación espontánea de un número indefinido de componentes que forman un tipo de fase específico, teniendo una organización microscópica más o menos definida y unas propiedades macroscópicas dependientes de su naturaleza (capas, membranas, vesículas, micelas, fases mesomórficas, etc) (Figura 1.31).81

RO

OR

OR

NH

N N

N NC9H17

C9H17

N

N

H

N

O O

O O

NH

N

N

N

NC9H17

C9H17

NH

RO

OR

OR

N

N

N

O

H

OO

H

N

N

N

N

N NC9H17

C9H17

H

RO

OR

OR

H

NO O

O N O

N

N

N

N

H

N NC9H17

C9H17

H

RO

OR

OR

N

N

N

O

H

O O

H

ROOR

OR

NH

N N

N NC9H17

C9H17

N

N

H

N

O O

O O

NH

N

N

N

NC9H17

C9H17

NH

RO

OR

OR

N

N

N

O

H

OO

HN

N

N

N

N NC9H17

C9H17

H

RO

OR

OR

H

NO O

O N O

N

N

N

N

H

N NC9H17

C9H17

H

RO

OR

OR

R = C12H25

…. π-π stacking

Figura 1.31. Ejemplo de ensamblaje molecular.

81

Hay tres temas principales que dan una idea general del desarrollo de la química supramolecular:

1) En primer lugar, hay que diseñar estructuras que presenten un adecuado reconocimiento molecular y buena preorganización, como por ejemplo, entre receptores artificiales y sus sustratos. De esta manera, es posible obtener sistemas que almacenen y procesen información.

2) La investigación de la autoorganización, se fundamenta en el diseño para inducir el ensamblaje espontáneo pero controlado de arquitecturas supramoleculares sofisticadas.

50

3) La tercera fase, que está en crecimiento, introduce adaptación y evolución. Se basa en la autoorganización a través de la selección, además de en el diseño. Se pretende conseguir diversidad química e información sobre el dinamismo de los sistemas. Con respecto a este último punto, se puede considerar que la química supramolecular es dinámica por naturaleza, debido a que las interacciones que conectan los componentes moleculares de una entidad supramolecular son lábiles. La reversibilidad de las asociaciones, permite un continuo cambio en la constitución, bien por reorganización interna o por intercambio, incorporación o eliminación de sus componentes. Por eso, se puede decir que la química supramolecular es una química dinámica constitucional (CDC-Constitutional Dynamic Chemistry), que genera diversidad constitucional. Todos estos nuevos conceptos desarrollados en química supramolecular, están también extendiéndose en campos como la ciencia de materiales, química de superficies, tecnología de sensores y nanotecnología, planteándose como últimos objetivos la introducción de funcionalidades en estas estructuras no covalentes, pudiéndose conseguir así, dispositivos funcionalizados y superestructuras. Además, se han descrito aplicaciones en numerosos campos, tales como en almacenamiento molecular (donde se ha estudiado en profundidad sus cavidades intramoleculares),82,83

en quimiosensores,84 catálisis,85 distribución y diseño de fármacos,86 química sostenible,87 nanotecnología,88 y cristales líquidos,89 entre otras. Tal y como es entendida hoy en día, la química supramolecular es uno de los campos más vigorosos y de interés creciente en el mundo de la química. Una idea de la importancia de la química supramolecular la da el gran número de publicaciones sobre este tema, siendo de 170 entre 1980-1985, más de 1788 entre 1990-1999, más de 10384 entre 2000-2009.90 Su naturaleza interdisciplinar ha dado lugar a importantes colaboraciones entre físicos, teóricos, químicos computacionales, cristalógrafos, químicos inorgánicos, químicos orgánicos, bioquímicos y biólogos. Además, la fascinante naturaleza estética de los compuestos supramoleculares y las relaciones establecidas entre la visualización, modelización y el comportamiento práctico experimental de las moléculas anfitrionas y sus complejos, ha aumentado el entusiasmo en el área hasta el punto de ser uno de las disciplinas científicas más importantes, haciendo que la química desde las dos últimas décadas del siglo XX y hasta el momento, haya estado ampliamente dominada por la influencia de los enlaces no covalentes.91

1.4.2. Interacciones no covalentes y síntesis no covalente. La importancia de los fenómenos de reconocimiento molecular observados en sistemas biológicos, ha fascinado a numerosos grupos de investigación y más de treinta años de estudio en este campo, demuestran que las interacciones no covalentes tienen un enorme potencial para la construcción de estructuras químicas que exhiben un alto grado de complejidad estructural. Como previamente se ha apuntado, las moléculas también pueden interaccionar entre ellas a través de interacciones débiles, tales como enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, fuerzas de dispersión, etc. Estas interacciones débiles, conocidas colectivamente como interacciones no covalentes, juegan un papel crítico en el mundo de la biología, ya que tales interacciones son las responsables de la transducción de señales, del transporte selectivo de iones y pequeñas moléculas a través de membranas, reacciones enzimáticas o la formación de agregados mayores. En química, las interacciones no covalentes determinan las propiedades físicas de las moléculas, como por ejemplo, las propiedades de los líquidos, la

51

solubilidad de los sólidos o la organización de moléculas anfifílicas en mayores agregados tales como membranas, micelas y vesículas. Mientras que la ruptura homolítica de un enlace covalente tiene por lo general, una energía entre los 100 y 400 kJ.mol-1, las interacciones no covalentes varían desde menos de 5 kJ.mol-1 para las fuerzas de van der Waals, hasta los 120 kJ.mol-1 para los enlaces de hidrógeno o los 350 kJ.mol-1 para las interacciones de Coulomb (Tabla 1.1).

Tipo de interacción o enlace Fuerza (kJ.mol-1)

Enlace covalente 100-400

Coulomb 100-350

Enlace de hidrógeno 4-120

Ion-dipolo 50-200

-Anión 5-50

-Catión 5-80

- 0-50

Fuerzas de Van der Waals < 5

Efectos hidrofóbicos Difícil de asignar

Metal-ligando 0-400 Tabla 1.1. Fuerza de varias interacciones no covalentes

Es asombroso, el hecho de que con pocos tectones moleculares (“building blocks”), las hebras de ácidos nucleicos permitan almacenar y procesar una enorme cantidad de información a través de interacciones débiles de enlace de hidrógeno o que receptores moleculares sean capaces de reconocer sutiles diferencias en la superficie de las proteínas. A través de la manipulación de las interacciones no covalentes, la química supramolecular puede explorar el almacenamiento de información a nivel molecular y su transferencia y procesamiento a nivel supramolecular.92 Así por ejemplo, se estudian interacciones bien definidas como hileras de enlaces de hidrógeno, secuencias de grupos dadores y aceptores o sitios de coordinación para iones; todo ello, estableciendo analogías con los incontables ejemplos de sistemas presentes en la naturaleza. Además, las interacciones no covalentes que son selectivas, direccionales y fuertemente atractivas, pueden inducir el autoensamblaje de agregados supramoleculares que tengan estructuras bien definidas, por ejemplo, hélices, redes, contenedores moleculares, cápsulas, macrociclos, etc. Esta aproximación sintética, se conoce con el nombre de “síntesis no covalente”93 y sus características más relevantes se recogen en la tabla 1.2. En síntesis no covalente, los productos son estructuras en equilibrio y reflejan un balance entre la entalpía y la entropía, es decir, los productos potenciales de esta síntesis deben ser evaluados en términos de mínimos termodinámicos de mezclas en equilibrio. El reto consiste en predecir e influir en la posición de estos equilibrios para dirigir la asociación hacia un agregado específico. Para demostrar los conceptos de la síntesis no covalente, un sistema ampliamente estudiado es el tipo de agregado derivado del ácido cianúrico y melamina, en un disolvente orgánico.94,95 En la Figura 1.32 se pueden observar dos de las posibles subestructuras que pueden ser formadas; una roseta cíclica por una parte y una cinta lineal por otra.

52

Covalente No covalente

Tectones moleculares Átomos Moléculas, iones

Objetivo Moléculas Ensamblaje

Peso molecular 1-1000 Da 1-100 kDa

Tipo de enlace Covalente Interacciones débiles

Energía de enlace 147-575 kJ.mol-1 4,18-84 kJ.mol-1

Estabilidad cinética Alta Baja

Componentes de ΔG ΔH >> TΔS ΔH ≈ TΔS

Efectos del disolvente Secundarios Primarios

Características - Cooperatividad Tabla 1.2. Características de las síntesis covalente y no covalente

En el estado sólido, se ha observado una tercera subestructura, cintas torcidas (crinkled tape). Otras posibles subestructuras han sido propuestas, pero se han descartado por estar estéricamente muy impedidas.

Figura 1.32. Estructura formada por ácido cianúrico y melamina.

Las estructuras formadas debido a la agregación entre ácido cianúrico y melamina, son muy estables, pudiendo incluso calentarse hasta 350 ºC sin descomponer. Esta estabilidad, se puede suponer si se observa el hecho de que si se elimina una molécula de melamina o una de ácido cianúrico de la estructura, hay que romper nueve enlaces de hidrógeno, cada uno con una energía próxima a las 30 kJ.mol-1.

53

Conceptualmente, este sistema es uno de los modelos que ofrece una mayor comprensión y visualización para el estudio de la síntesis no covalente. La importancia de la síntesis no covalente y la química supramolecular, se ha puesto de manifiesto al estar relacionadas con los orígenes de la vida, ya que resulta fascinante la idea de que una molécula pueda catalizar su propia formación gracias a la formación de interacciones no covalentes complementarias. Algunos ejemplos que ilustran este fenómeno, son la autorreplicación de moléculas utilizando como plantillas péptidos, análogos de oligonucleótidos y moléculas sintéticas sencillas. Se pueden encontrar casos muy interesantes, como el publicado por Ghadiri et. al.,96 donde la autorreplicación de oligopéptidos es una consecuencia directa de interacciones no covalentes complementarias que transfieren al mismo tiempo ambos, el enlace y la información estereoquímica. Teniendo en cuenta los objetivos y funciones de la síntesis no covalente, se puede concluir que la síntesis covalente y la no covalente fundamentalmente similares; ambas tienen como objetivo introducir conectividades específicas entre átomos, pero la ventaja de la síntesis no covalente es que los enlaces no covalentes se forman espontánea y reversiblemente bajo condiciones de equilibrio termodinámico, con la posibilidad de corregir errores que pudiesen producirse y sin la obtención de subproductos no deseados, sin necesidad de reactivos químicos o condiciones de reacción enérgicas. Se ha postulado una definición para los polímeros supramoleculares: son disposiciones poliméricas de unidades monoméricas que se unen por medio de interacciones secundarias reversibles y con una alta direccionalidad, que dan como resultado propiedades poliméricas en soluciones diluidas y concentradas, así como en estado sólido. Las unidades de monómeros dentro de los polímeros supramoleculares por si mismos no poseen una repetición de los fragmentos químicos. La direccionalidad y la fuerza del enlace supramolecular son las propiedades más importantes de los sistemas que pueden ser considerados como polímeros y que se comportan de acuerdo a las teorías bien establecidas de polímeros físicos.97

1.4.3. Tipos de interacciones no covalentes.98 1.4.3.1. Interacciones ion-ion

El enlace iónico es comparable en fuerza al enlace covalente, con una energía de enlace de entre 100-350 kJ.mol-1. La fuerza conductora son las interacciones electrostáticas coulombianas. Un sólido iónico típico es el cloruro sódico, que consta de una celda unidad en el que cada catión Na+ es capaz de organizar seis aniones Cl- dadores complementarios a su alrededor para conseguir así, un máximo de interacciones no covalentes. Un ejemplo supramolecular de interacciones ion-ion, es la estructura formada por el tris(diazabiciclooctano), con carga +3 y aniones tales como Fe(CN)6

3- (Figura 1.33).

54

Figura 1.33. Interacciones supramoleculares ion-ion ejemplificadas con la interacción

del catión orgánico y [Fe(CN)6]3-

.

1.4.3.2. Interacciones ion-dipolo Un ejemplo de interacción ion-dipolo puede ser el enlace entre el catión Na+ y una molécula polar, como puede ser el agua. Esta clase de enlace, se puede producir tanto en estado sólido como en disolución. A nivel supramolecular, este tipo de interacciones pueden encontrarse en complejos de cationes de metales alcalinos con éteres macrocíclicos (éteres corona), en los que los átomos de oxígeno representan el mismo papel que las moléculas polares de agua (Figura 1.34). Los pares electrónicos solitarios de los átomos de oxígeno son atraídos por la carga positiva del catión.

O

O

O

OO

O

Na

Figura 1.34. Éter corona coordinando al catión sodio.

1.4.3.3. Interacciones dipolo-dipolo

El alineamiento de un dipolo con otro, puede dar lugar a fuertes interacciones atractivas cuando interacciona un par electrónico solitario del polo de una molécula con el polo contrario de una molécula adyacente (tipo I) o por alineación opuesta de un dipolo con otro (tipo II) (Figura 1.35). Los compuestos carbonílicos presentan este comportamiento en estado sólido y se ha demostrado que las interacciones de tipo II pueden llegar a tener una energía de 20 kJ.mol-1, que es comparable a un enlace de hidrógeno moderadamente fuerte. Sin embargo, el punto de ebullición de algunas cetonas (acetona 56ºC), demuestra que las interacciones dipolo-dipolo son relativamente débiles en disolución.

55

δ+

δ+δ- δ-

δ-

δ+δ-

δ+C O

R'

R

C

O

R'

C O

R'

CO

I II

RR

R'

R

Figura 1.35. Interacciones dipolo-dipolo en compuestos carbonílicos.

1.4.3.4. Interacciones catión-

Este tipo de interacciones, bastante fuertes en algunos casos, se puede

encontrar entre cationes y superficies -electrónicas de una estructura

aromática. Las interacciones electrostáticas parecen jugar un papel

fundamental en las interacciones catión-, algunas investigaciones, incluyen

también como responsables a la polarizabilidad, dispersión, transferencia de carga entre un dador y un aceptor, y a los dipolos inducidos. Muchos de los estudios realizados sobre estas interacciones, se refieren al anillo de benceno, que representa un modelo sencillo y apropiado para estudios fundamentales.

A continuación, se puede ver esquematizada la interacción catión- entre un catión potasio y la nube electrónica del anillo de benceno (Figura 1.36).

a b

Figura 1.36. a) Representación esquemática de una interacción catión- donde se puede observar el contacto de un catión K+ y el anillo de benceno. b) Distribución de carga en el anillo de benceno, donde se observan los átomos

de hidrógeno cargados positivamente y la nube electrónica , cargada negativamente. El momento cuadrupolar del benceno está representado como dos dipolos opuestos.

Las interacciones catión- en anillos heteroaromáticos son muy intuitivas y

ocurren con frecuencia en la naturaleza, contribuyendo en gran parte a la estructura y función de biomoléculas.99 La tendencia de interacción de un mismo catión con una serie de derivados aromáticos, se puede predecir únicamente considerando los fenómenos electrostáticos. Cuanto más negativo sea el máximo de potencial electrostático

sobre el centro aromático, más fuerte será la interacción catión-. Sin embargo, las interacciones electrostáticas no representan la energía total del enlace. De hecho, la fracción de energía electrostática de enlace varía dependiendo del anillo aromático que esté formando parte de la interacción.

1.4.3.5. Interacciones anión- o interacciones - Este tipo de interacciones ha sido mucho menos estudiado que las

interacciones catión-. Una de las razones por la que esto ocurre, es porque

las concentraciones de potencial negativo son más accesibles y manejables a escala molecular que las concentraciones de potencial positivo. Además, se

56

puede pensar, que el carácter electrodonador de los aniones da lugar a

interacciones repulsivas con las nubes electrónicas .

Se han publicado ejemplos de interacciones atractivas anión-,99 entre el anillo

-deficiente de 1,3,5-triazina y aniones F-, Cl- o N3- (Figura 1.37). Además, se

han estudiado un gran número de moléculas huésped arílicas, muy probablemente, debido a las potenciales aplicaciones medicinales y biológicas que presentan.100 De hecho, más del 70% de los sustratos de las enzimas y cofactores, son aniones.101

X = Cl-, F-, N3-

Figura 1.37. Interacciones anión- con los anillos deficientes de 1,3,5-triazina y 2,4,6-trifluoro-1,3,5-triazina.

Otros ejemplos, basados en cálculos teóricos, han mostrado que el anillo de benceno puede actuar como una base de Lewis y el anillo de 1,3,5-triazina como un ácido de Lewis.102 Esta área ha sido poco investigada y actualmente, el estudio de las

interacciones no covalentes entre el anillo de benceno y anillos -deficientes,

puede dar lugar a nuevos métodos de síntesis no covalente y reconocimiento molecular considerando el papel que representan los anillos aromáticos en química supramolecular.

1.4.3.6. Fuerzas de van der Waals Las fuerzas de van der Waals surgen debido a la polarización de una nube electrónica por la proximidad de núcleos adyacentes, dando lugar a una débil interacción electrostática. Son interacciones no direccionales, por lo que tienen limitaciones a la hora de diseñar moléculas específicas que sean reconocidas por otra en particular. En general, las fuerzas de van der Waals aportan una interacción atractiva general para la mayoría de especies polarizables (blandas). Este es el tipo de interacciones observadas, por ejemplo entre los gases nobles. Estrictamente, las fuerzas de van der Waals pueden ser divididas en fuerzas de dispersión de London y en fuerzas de intercambio-repulsión. La interacción por dispersión, es la componente atractiva resultante de la interacción entre multipolos fluctuantes (cuadrupolos, octupolos, etc) en moléculas adyacentes. La atracción disminuye rápidamente con la distancia (es inversamente proporcional a r6) y es aditiva con cada enlace de la molécula que contribuya a la energía de interacción global. Las fuerzas de intercambio-repulsión definen la forma molecular y los balances por dispersión a cortas distancias, disminuyendo con la duodécima potencia de separación interatómica. En términos de química supramolecular, las fuerzas de van der Waals son importantes en la formación de compuestos de inclusión, en los que moléculas orgánicas pequeñas, son incorporadas con holgura, dentro de redes cristalinas o cavidades moleculares, como por ejemplo, la inclusión de tolueno dentro de la cavidad molecular de algunos calix[4]arenos (Figura 1.38).

57

Figura 1.38. Calixareno funcionalizado en sus dos bordes, que actúa como molécula anfitriona debido a la cavidad que forma con los anillos aromáticos. Esta cavidad es de tipo hidrofóbico, por lo que muchas moléculas orgánicas pueden ser hospedadas en ella.

1.4.3.7. Interacciones de apilamiento - (- Stacking)

Estas interacciones electrostáticas débiles ocurren entre anillos aromáticos, normalmente en situaciones donde un anillo es relativamente rico y el otro pobre en electrones.103 En la estructura de macromoléculas biológicas, tales como el ADN y las proteínas, las interacciones areno-areno desempeñan un papel esencial y también, en la interacción con moléculas pequeñas. Sin embargo, su débil carácter direccional ha retrasado por algún tiempo el desarrollo de un modelo para su descripción.

Hay dos tipos generales de interacciones - stacking, cara-cara (anillos

paralelos) o borde-cara (anillos perpendiculares), aunque se puede encontrar una amplia variedad de geometrías intermedias, como la geometría paralela desplazada (Figura 1.39).

+

++

+

+

++

+

+

++

+

+

+++

+

++

+

+

+++

+

++

+

+

+++

+

++

+

+

++

+

+

++

+

+

++

+

+

++

+

+

+++R

R R r

a b c Figura 1.39. Diferentes geometrías en las interacciones areno-areno: a) borde-cara

(forma de T), b) cara a cara, y c) paralelos-desplazados.

Aunque las interacciones - stacking están aceptadas como interacciones débiles no covalentes, también han sido reconocidas por su importante función en el empaquetamiento y estabilidad térmica de las proteínas,104 en la organización de unidades de porfirina en agua,105 en el enlace de carotenoides en complejos colectores de luz,106 y en el enlace de agentes antitumorales al ADN.107 Las moléculas discóticas son estructuras ditópicas con un nucleo en forma de disco en el periferia tienen varias cadenas laterales flexibles. El núcleo consiste de un sistema aromático plano, mientras que las cadenas laterales es usual que sean cadenas alquílicas flexibles.97 Las propiedades estructurales características de estas moléculas las hacen muy apropiadas para la formación

de polímeros supramoleculares en solución. Las fuertes interacciones - (o

areno-areno) de sus núcleos hace que las moléculas discóticas estén dispuestas a agregarse en disolventes polares o no polares, formando

58

polímeros tipo varilla o tipo gusano. Debido a la polarizabilidad y buen contacto intermolecular del sistema plano de los anillos aromáticos, se presentan interacciones atractivas de apilamiento. En disolventes polares y en todos los

no polares, el apilamiento - puede hacerse más fuerte por interacciones

solvofóbicas. En realidad, los sistemas discóticos son el único tipo de cristales líquidos capaces de formar arquitecturas lineales, i.e., polímeros supramoleculares en soluciones diluídas por medio de interacciones de apilamiento. En los cristales líquidos discóticos, la interacción de apilamiento entre los discos es varios ordenes de magnitud más fuerte que las interacciones intercolumnares, debido a la separación de fase inducida por las cadenas laterales cuyas fuerzas de van der Waals son mucho mas débiles. En general, los polímeros largos se obtienen a través de sistemas discóticos que tienen interacciones intermoleculares fuertes y específicas, tanto por un nucleo aromático y grande o a través de interacciones intermoleculares adicionales específicas como enlaces de hidrógeno. Por otra parte, la combinación de dos o más interacciones da cuenta de la formación de columnas con un orden alto. Solo a concentraciones altas, las interacciones intermoleculares llegan a ser algo destacado, y la formación de la superestructura o la formación de un gel se presenta seguida de una fase líquida cristalina en volumen. En la Figura 1.40 se muestra una representación del autoensamblaje de las moléculas discóticas en polímeros supramoleculares.

Figura 1.40. Autoensamblaje de moléculas discóticas en diferentes agregados en función de la concentración

En la Figura 1.41 se muestra una serie de moléculas típicas que forman el

apilamiento -, derivados de trifenileno y ftalocianina.108

59

Figura 1.41. Derivados de trifenileno y ftalocianina que forman apilamiento -.

1.4.3.8. Enlaces de hidrógeno Los enlaces de hidrógeno tienen un gran impacto en la vida diaria; sin ellos, las estructuras de madera se colapsarían, el cemento se desmoronaría, los océanos se evaporarían y los seres vivos se desintegrarían en dispersiones al azar o en materia inerte. Además, las sorprendentes propiedades del agua, tales como su alto punto de ebullición (100 ºC vs -60,7 ºC para el H2S), la contracción del agua sólida al fundir y su máxima densidad en estado líquido a 3.984 ºC, se basan en la formación de redes de enlaces de hidrógeno.109 La mayoría de los tectones moleculares naturales, tales como carbohidratos, aminoácidos y ácidos nucleicos, constituyen una rica fuente de enlaces de hidrógeno. Esto es muy probablemente debido a que la vida ha evolucionado en un entorno acuoso donde las interacciones con agua juegan un papel muy importante. Por eso, los enlaces de hidrógeno han sido siempre considerados como interacciones muy relevantes en muchos procesos biológicos, tales como el reconocimiento entre las bases púricas y pirimidínicas en el ADN (Figura 1.42), el enlace de ligandos con sus receptores, la catálisis enzimática y la formación de hélices α y láminas β. En 1892, Nerst110 observó interacciones débiles entre moléculas que contienen grupos hidroxilo. En aquel entonces, aún no se les había dado un nombre, pero Werner las incluyó diez años después en su concepto de “nebenvalez” (valencia menor), que era de hecho, una descripción propia del fenómeno de enlaces de hidrógeno.111

N

NN

N

N

R

N

N

O

OH H

H

R

NN

N

N O

NH

H

H N

N

NHH

O

R

R

Adenina CitosinaGuaninaTimina Figura 1.42. Reconocimiento entre las bases púricas y pirimidínicas del ADN mediante formación selectiva de enlaces de hidrógeno.

60

Las primeras sugerencias de que el átomo de hidrógeno era el centro de estas interacciones débiles fueron hechas por primera vez en 1920 por Huggins, Latimer y Rodebush.112 Finalmente, en 1935-36, Bernal y Huggins propusieron el término de enlace de hidrógeno que se conoce actualmente. Los enlaces de hidrógeno pueden ser descritos como interacciones estables de naturaleza esencialmente electrostática entre un dador X-H y un aceptor Y-H, siendo X e Y átomos electronegativos o grupos ricos en electrones113 y con electronegatividad superior a la del hidrógeno, como por ejemplo, C, N, O, F, P, S, Cl, Se, Br y I. La fuerza de estas interacciones aumenta con un aumento en el momento dipolar del enlace X-H y el par de electrones solitario del átomo Y. Por eso, los enlaces de hidrógeno más fuertes están formados por átomos de N, O y F, actuando como X e Y, aunque el sistema C-H también puede actuar

como dador.114 Los enlaces de hidrógeno “” se dan cuando se produce una

interacción entre un átomo de hidrógeno con carga parcial positiva y los electrones de enlaces dobles y/o triples.115 Los primeros modelos teóricos sugerían que los enlaces de hidrógeno ocurrían exclusivamente por interacciones electrostáticas entre el átomo de hidrógeno parcialmente cargado del dador y el par solitario del aceptor. Sin embargo, hoy en día, está generalmente aceptado que los enlaces de hidrógeno no pueden ser descritos únicamente por la teoría electrostática, ni por la formación de débiles enlaces covalentes, sino que implica una complicada superposición de cinco contribuciones individuales que son similares en magnitud: energía electrostática o coulombiana (ΔECOU), repulsión de intercambio (ΔEEX), energía de polarización (ΔEPOL), energía de transferencia de carga (ΔECHT) y fuerzas de dispersión (ΔEDIS). El éxito de los primeros modelos electrostáticos para calcular la energía de los enlaces de hidrógeno, ha sido atribuido a la cancelación accidental de las otras contribuciones. También deben considerarse las teorías del enlace de valencia y de los orbitales moleculares, que indican que los enlaces de hidrógeno se deben a interacciones electrostáticas a largas distancias, pero que a cortas distancias se produce repulsión entre los electrones del enlace H-X y el par de electrones libre del átomo Y, así como la deslocalización del par de electrones solitario desde un orbital π del aceptor a un orbital antienlazante σ* del protón dador. Los enlaces de hidrógeno son generalmente interacciones más fuertes que las fuerzas de van der Waals. La separación entre H-Y y H-X es más corta que las distancias de contacto de van der Waals y además, los ángulos X-H-Y, tienden a la linealidad. Estas interacciones pueden estabilizarse a distancias muy superiores a la suma de los radios de van der Waals. En términos de energía, los enlaces de hidrógeno abarcan un intervalo que va desde los 4 kJ.mol-1 en el caso de interacciones C-H---O, a grandes valores cuando el aceptor es un anión, llegando hasta 120 kJ.mol-1, cuando se presenta el sistema O-H ||||| O-.116 La preferencia por enlaces de hidrógeno lineales fue demostrada en lactamas de pequeño tamaño de anillo y en ácidos monocarboxílicos.117 La situación se hace más complicada cuando el aceptor tiene más de un par de electrones libres o cuando el dador tiene más de un átomo de hidrógeno capaz de formar enlaces de hidrógeno, pudiéndose llegar a situaciones de formación de enlaces de hidrógeno de tres centros o “bifurcados” o de cuatro centros “trifurcados” (Figura 1.43).118

61

Figura 1.43. Enlaces de hidrógeno a) lineal b) bifurcado y c) trifurcado.

La energía de un enlace de hidrógeno en fase gaseosa es de 9-90 kJ.mol-1, lo que es mucho más débil que los enlaces covalentes, pero mucho mayor que las fuerzas de dispersión de London. Si el dador o el aceptor están cargados, la atracción electrostática será superior y consecuentemente, los enlaces de hidrógeno serán mucho más fuertes (40-120 kJ.mol-1). La estabilidad termodinámica de los complejos formados por enlaces de hidrógeno en disolución, es muy dependiente del disolvente. La estabilidad es normalmente mayor en disolventes apolares sin capacidad formadora de enlaces de hidrógeno, tales como alcanos. Por el contrario, es menor en disolventes que puedan formar enlaces de hidrógeno, bien actuando ellos mismos como dadores o como aceptores, ya que pueden competir en la formación de los enlaces de hidrógeno. Los grupos fuertemente dadores y aceptores tales como -COOH, -OH, -CONH2 y -CONHR, forman el mismo tipo de interacción por enlace de hidrógeno cuando forman parte de un agregado orgánico y cuando actúan como ligandos en complejos metálicos. Con estos grupos fuertemente dadores y aceptores, la energía de los enlaces de hidrógeno que forman, es al menos un orden de magnitud superior a la mayoría de interacciones no covalentes y además, suelen estar presentes también en disolución. Ya que los polímeros supramoleculares son agregados reversibles que se pueden romper y recombinar en escalas de tiempo experimental, si se combinan varios enlaces de hidrógeno en una unidad funcional, se dispone de una herramienta valiosa para incrementar la fuerza de la interacción y empleando una disposición particular de los centros de enlace de hidrógeno, mejora su especificidad.97 Como ya se comentó, la fuerza de un solo enlace de hidrógeno depende básicamente en la naturaleza del donador y del aceptor, aunque está influido en gran medida por el disolvente. La fuerza de la asociación entre enlaces de hidrógeno múltiples obviamente depende de los mismos factores, así como del número de los mismos. También se ha demostrado que la disposición particular de los sitios donadores y aceptores vecinos es un factor adicional que afecta en forma significativa la fuerza de la complejación (Figura 1.44).

62

NN

OH3C

C4H9 O

H

H

N

H

N

N

NN

H

N

H

C2H5

a) Ka = 102 - 103 M-1 A D

D A

D A

NN

N

ribosa O

N

H

N

N

NO

N

H

C2H5

b) Ka = 104 - 105 M-1 A D

D A

A D

H

H

H

c) Ka > 105 M-1 A D

A D

A D

N

N

N

Ph

N

N

N

H

H

H

H

HPh

H

O

OPr

O

OPr

Figura 1.44. Estabilidad de complejos con diferentes enlaces de hidrógeno

En la Figura 1.44 se pueden observar agrupamientos en los que se observa una interacción ADA-DAD (Figura 1.44a), presentando una constante de asociación (Ka) de alrededor 102 M-1 en cloroformo. En agrupamientos con interacciones DAA-DDA (Figura 1.44b), el valor de la Ka es de 104 M-1. Para agrupamientos del tipo AAA y DDD (Figura 1.44c), el valor de la Ka es mayor de 105 M-1. Se han realizado cálculos computacionales119 que han demostrado que este efecto se origina por las diferencias en las interacciones secundarias, atractivas o repulsivas. En los complejos, los centros del mismo tipo (ambos donadores o ambos aceptores) dispuestos diagonalmente se repelen entre sí por factores electrostáticos, mientras que los centros de distinto tipo (donador frente a aceptor) se atraen entre sí. En el agrupamiento DDD-AAA el número de interacciones secundarias atractivas se maximiza. Por el contrario, en el agrupamiento ADA-DAD el número de interacciones secundarias repulsivas. En la Figura 1.45, se muestra un componente plástico el cual se hizo a partir de un polímero supramolecular. La estructura molecular es una red de monómeros conectados por puentes de hidrógeno. Cada monómero consiste de una cadena de hidrocarburos con una unidad que forma puentes de hidrógenos (2-ureido-4[1H]-pirimidinona, UPy en azul, en cada extremo. (c) Las unidades de Upy forman puentes de hidrógeno entre sí (líneas de puntos). Por lo tanto los monómeros se autoensamblan de forma espontánea para formar la red polimérica. Los átomos de carbono se muestran en color gris, los de nitrógenos en azul, los de oxígeno en rojo y los de hidrógeno en blanco.120

63

Figura 1.45. (a) Este componente plástico se hizo a partir de un polímero supramolecular. (b) Estructura molecular es una red de monómeros conectados por puentes de hidrógeno. (c) Las unidades de Upy forman puentes de hidrógeno entre sí (líneas de puntos).

1.4.4. Polimerización supramolecular Existen diversos mecanismos de formación de los agregados (Figura 1.46).120

Figura 1.46. Representación gráfica de los tres mecanismos de crecimiento por los que un monómero se puede polimerizar y formar un polímero supramolecular: (a) polimerización supramolecular isodesmica, (b) polimerización nucleación-elongación (cooperativa supramolecular) (c) polimerización supramolecular cadena-anillo

A continuación, se explica más detalladamente cada mecanismo de crecimiento para la formación de agregados supramoleculares. 1) Mecanismo isodésmico: El primer proceso, el mecanismo por crecimiento isodesmico, ocurre cuando la fuerza de las interacciones secundarias entre los monómeros en las cadenas de polímeros no se ven afectadas por la longitud de la cadena. En consecuencia, cada unidad de monómero adicionada a la cadena en crecimiento de polímero, aumenta la estabilidad termodinámica del sistema en la misma cantidad. Debido a que cada paso adicional es

64

equivalente, para que ocurra la polimerización no se requiere de una temperatura crítica o de una concentración de monómeros crítica. En lugar de ello, la concentración de cadenas de polímero se incrementa en forma gradual, conforme se incrementa la concentración de monómeros en la disolución, o bien conforme se incrementa la temperatura Esta clase de agregación implica la formación reversible de un enlace no covalente que es idéntico en todas las etapas del proceso de crecimiento. Esto implica que la reactividad de los grupos terminales, durante el proceso de polimerización, no cambia debido al efecto de los grupos vecinos. La constante de equilibrio (K) es la misma en todas las etapas (Figura 1.47).

Figura 1.47. (a) Polimerización supramolecular isodésmica de una molécula discótica rígida en un polímero supramolecular lineal; (b) polimerización supramolecular isodésmica de un monómero bifuncional en el que los dos grupos de unión están conectados a través de un espaciador flexible. En ambos casos, K representa la constante de equilibrio intermolecular la cual es independiente de la longitud de la cadena en este caso.

2) El segundo proceso, el mecanismo de nucleación-elongación, ocurre en el crecimiento de polímeros supramoleculares “ordenados”, como aquellos en los que ocurre la formación de hélices. Este mecanismo involucra a dos fases distintas en el autoensamblaje, una fase de nucleación lenta, seguida por una fase de crecimiento más rápida. En este mecanismo, los enlaces no covalentes entre los monómeros en las cadenas son débiles, dificultando la formación inicial de las cadenas. Pero una vez que se forma un núcleo estable, la posterior adición de monómero se convierte en algo favorable, hasta un punto tal que se acelera el crecimiento de la cadena de polímero. Las largas cadenas de polímero solo se formaran por encima de una cierta temperatura y una concentración mínima del monómero (temperatura y concentración críticas). En este caso, el agregado formado en la primera etapa tiene una constante de asociación Kn para la adición del monómero. La adición de un monómero adicional se produce con una Ke (constante de elongación) mayor que Kn. El proceso de polimerización continúa hasta que se forma un núcleo de grado s que corresponde a un máximo en la energía libre (Figura 1.48).

Figura 1.48. Representación esquemática de una polimerización cooperativa supramolecular (Kn < Ke) de una molécula rígida discótica. En este dibujo, el dímero es el núcleo.

65

3) El tercer proceso de crecimiento, mecanismo anillo-cadena, es un caso especial de polimerización por nucleación, el cual también se presenta en los polímeros covalentes; éste se caracteriza por un equilibrio entre anillos cerrados de monómeros y cadenas lineales. En este mecanismo, por debajo de una cierta concentración de monómero, es más probable que los extremos de cualquier cadena de polímero pequeña se encuentren y reaccionen con cualquier otra (formando un anillo), más que encuentren a otro monómero que podría dar como resultado una elongación de la cadena. Por encima de la concentración crítica, la formación de la cadena se favorece y el crecimiento del polímero ocurre con rapidez. Al igual que en el mecanismo nucleación-elongación, el grado de polimerización cambia en forma abrupta una vez que se alcanzan las condiciones críticas de temperatura y concentración. Este mecanismo implica la polimerización reversible de un monómero ditópico en el que cada agregado lineal (incluyendo el monómero) en la ruta de ensamblaje, está en equilibrio con su análogo cíclico. En la mayoría de casos de este tipo de polimerización, dos grupos terminales se asocian reversiblemente, conectados a través de una correa flexible de hidrocarburos (Figura 1.49).

Figura 1.49. Representación esquemática de una polimerización supramolecular de cadena-anillo en la que Kinter (M-1) representa la constante de unión para la asociación intermolecular bimolecular y Kintra (i) representa la constante de equilibrio intramolecular para el cierre del anillo.

Además de los mecanismos de polimerización supramolecular explicados, cabe destacar que existen dos tipos de agregados supramoleculares, denominados como H y J. Los primeros se caracterizan por presentar una banda de absorción a energía más alta en relación con el monómero molecular. La designación H proviene del desplazamiento hipsocrómico que experimentan dichos agregados. Por el contrario, si presenta una banda de absorción a longitudes de onda mayor que el monómero, el agregado es de tipo J. Esta designación proviene de Jelley121 quien fue el primero en describir estos fenómenos de agregación para los colorantes tipo cianina.24,122 Los modelos teóricos basados en las interacciones de Coulomb de los momentos de transición dipolares de las moléculas han permito correlacionar el origen de los desplazamientos espectrales en la banda de absorción con ciertos parámetros geométricos del agregado.123 Así, los desplazamientos hipsocrómicos observados en los agregados tipo H resultan cuando las moléculas están apiladas una encima de otra. Un apilamiento lateral de las moléculas dará lugar a un agregado tipo J, detectándose un desplazamiento batocrómico. Hunter y Sanders propusieron

que las repulsiones - son las interacciones dominantes en los agregados H

mientras que las atracciones - dominan en los agregados J. Por último,

66

normalmente la señal de absorción de los agregados tipo J presentan bandas definidas e intensas debido al mayor orden del agregado. La banda de absorción de los agregados tipo H puede aparecer más amplia y sin características definidas, debido a la estructura irregular y poco compacta del agregado. Würthner, et al.,124 sintetizaron una serie de colorantes derivados de bis(merocianinas) (Esquema 1.34), con el objetivo de comprobar si estos compuestos formaban dímeros asociados, los cuales podrían presentar altas constantes de enlace, que se pudieran atribuir a interacciones dipolo-dipolo entre estos cromóforos dipolares, y podrían formar polímeros supramoleculares.

Esquema 1.34. Compuestos obtenidos por Würthner, et al.

Para determinar el comportamiento de autoagregación en cloroformo, se registraron los espectros de UV-Visible en función de la temperatura (Esquema 1.34, R = n-C18H37 y Figura 1.50).

Figura 1.50. Variación de espectro UV-Visible con de la temperatura (3.1 X 10

-6 M).

Conforme la temperatura se incrementa, la disminución de la banda del

agregado a max = 462 nm, (banda H) está acompañada por la aparición de una

nueva transición centrada a max = 589 nm, observándose un desplazamiento

batocrómico (banda M). La aparición del punto isosbéstico a 505 nm sugiere una transición entre dos especies bien definidas. La especie a baja temperatura se puede atribuir a un agregado H formado por autoensamblaje de los monómeros, mientras que a altas temperaturas las especies deben ser los monómeros libres (solvatados).

67

Un desplazamiento hipsocrómico en la banda de absorción del colorante

disuelto (max = 589 nm, banda M) de alrededor de 100 nm, corresponde a la

formación de una unidad supramolecular de dos moléculas de colorante en una disposición cofacial antiparalela (banda D), mientras que un desplazamiento

hipsocrómico posterior a longitudes de onda más cortas, esto es a max 440-460 nm (banda H), se puede atribuir a un ensamblaje posterior de estas

unidades diméricas en apilamientos . Una evidencia posterior que apoya la

formación de apilamientos de colorantes extendidos la proporciona la fuerte reducción en la absorción (hipocromicidad) y el estrechamiento de la banda, las cuales son dos características de los agregados H.125 El Esquema 1.35 muestra una representación gráfica del modelo de autoensamblaje para los tres colorantes merocianinas. El paso de nucleación se refiere a las interacciones intermoleculares entre dos moléculas de colorante merocianina, las cuales se autoensamblan en un par dimérico antiparalelo. El paso de la elongación requiere fuerzas combinadas que se dan por interacciones entre las moléculas.

Esquema 1.35. Representación esquemática del autoensamblaje de los compuestos obtenidos por Würthner, et. al.

N

N

N

N

O

CN

O

R

NC

O

OR Banda M

68

1.5. Química sostenible Es indudable el impacto que la química, y en particular la química orgánica, ha tenido para mejorar la calidad de vida y el bienestar del hombre, ya que se han encontrado soluciones a diferentes problemas en campos tan diversos como la higiene, la salud, la agricultura, la ganadería, y también se han encontrado nuevos materiales que se han usado y estamos usando en nuestra vida diaria. En sus labores de investigación, un químico debe de estar consciente de lo que está generando como producto de su actividad profesional, y lo que la sociedad espera de esto, y que en el mejor de los casos es que sean productos que a lo largo del tiempo tengan alguna de las aplicaciones mencionadas anteriormente. Según el código de conducta de la Sociedad Química de Estados Unidos (ACS, American Chemical Society):126 “La Sociedad Química de Estados Unidos espera que sus miembros se adhieran a los más altos estándares éticos. En efecto, la Carta Federal de la Sociedad (1937) menciona explícitamente entre sus objetivos "la mejora de las cualificaciones y la utilidad de los químicos a través de altos estándares de ética profesional, la educación y los logros..." El profesional químico tiene obligaciones con el público, colegas, así como a la ciencia” Responsabilidad con la Sociedad: Los profesionales químicos tienen la responsabilidad de servir al interés público y la seguridad y para seguir avanzando en el conocimiento de la ciencia. Deben estar activamente preocupados por la salud y seguridad de empleados, consumidores y la comunidad. Los comentarios del público sobre cuestiones científicas deben hacerse con cuidado y precisión, sin declaraciones infundadas, exageradas, o hacer declaraciones prematuras. Responsabilidad con el medio ambiente: Los profesionales químicos deben esforzarse por hacer su trabajo de tal manera que sea seguro para el medio ambiente y para la salud de todos los que puedan verse afectados. Ellos tienen la responsabilidad de entender los impactos de salud, seguridad y medio ambiente de su trabajo, de reconocer las limitaciones de recursos limitados, y para desarrollar productos y procesos sostenibles que protegen la salud, la seguridad y la prosperidad de las generaciones futuras”. Un químico, en cualquier país del mundo, debería seguir este código de conducta, aunque no sea miembro de la ACS y no sea ciudadano norteamericano, pero si un habitante del planeta tierra.

1.5.1. Definición De acuerdo con la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), la química sostenible consiste en utilizar compuestos químicos o procesos que sean amigables con el medio ambiente y cuyo uso resulte en una reducción de residuos, procesos de producción más seguros, y reducir (o mejor aún eliminar) la contaminación y el daño ambiental. La química sostenible fomenta la innovación y promueve la creación de productos que sean sostenibles tanto desde el punto de vista económico como el ambiental.127

1.5.2. Sostenibilidad Para entender de donde surge este importante concepto, se debe revisar un poco en la historia del mismo. En 1972 el informe Meadows, criticó fuertemente la promoción del crecimiento económico, indicando que éste era incompatible con los objetivos de protección del medio ambiente.128 En ese mismo año, en la Conferencia de Estocolmo se creó el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA). En 1983 la ONU estableció una Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, dirigida por la sueca, Gro Harlem

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Brundtland. Bajo el nombre de Comisión Brundtland, se inició una gama de estudios, mesas redondas y conferencias públicas en todo el mundo. Al cabo de tres años, en abril de 1987, fue publicada la información generada en este tiempo bajo el nombre de “Nuestro Futuro Común” o también conocido como “Informe Brundtland”, en el cual se remarca que “la humanidad debe cambiar su estilo de vida y la forma en que se hace el comercio, pues de no ser así, se puede esperar un padecimiento humano y una degradación ecológica inimaginables”. En este mismo documento se da a conocer la definición más completa sobre el concepto de Desarrollo Sostenible, la cual hoy en día ha sido la más aplicada y difundida por todo el mundo. También se remarca que tanto el desarrollo económico como el social deben basarse en la sostenibilidad, considerándose como conceptos claves en las políticas de desarrollo sostenible, las cuales deben identificarse con los dos siguientes puntos: • Satisfacer las necesidades básicas de la humanidad: alimentación, vestido, vivienda y salud. • Necesidad de limitar al desarrollo impuesto por el estado actual de la organización tecnológica y social, su impacto sobre los recursos naturales y por la capacidad de la biosfera para absorber dicho impacto. La Comisión Brundtland recomendó iniciar una nueva perspectiva de adaptar un crecimiento económico justo, desde el punto de vista ecológico, declarando que el desarrollo sostenible debe ser aplicado, tanto a la administración de la economía, como al de la tecnología y al manejo de los recursos naturales, acompañado congruentemente, de una renovación en los propósitos de la sociedad, orientado a un cambio de actitud de mayor respeto hacia los ecosistemas, la biodiversidad, el medio ambiente y los recursos naturales.130 Como producto de la actividad industrial desarrollada desde finales del siglo XIX (en los inicios de la Revolución Industrial) y durante todo el siglo XX, el ser humano logró un incremento en su calidad de vida, el cual lamentablemente también implicó un gran deterioro del medio ambiente, debido a que se generaron graves problemas de contaminación, sobre todo en el último cuarto del siglo XX. Para tratar de resolver estos problemas de contaminación, se propuso el programa de Química sostenible, cuyo principal objetivo para hacer una química más benigna con el medio ambiente, y a través del cual se pretenden desarrollar procedimientos sintéticos benignos con éste último.131 Este programa tiene en cuenta los problemas de generación de residuos, los intenta minimizar antes que tratarlos una vez generados, y sobre todo procura recuperar las materias primas para poderlas reutilizar.132 Nadie mejor que los científicos del área conoce los problemas involucrados en los procesos químicos. Esto significa que un químico bien entrenado, independiente y responsable es quien debería establecer las políticas ecológicas, y no los políticos, ya que estos últimos son los que tienden a reaccionar con exageración a los escándalos sobre la contaminación, sin un conocimiento profundo del problema. Ninguna de las soluciones a los problemas ecológicos para el siglo pasado (siglo XX) provino de políticos, incluyendo las propuestas de los partidos autodenominados ecologistas. Siempre han sido los científicos químicos en activo, quienes han cambiado los productos y los hábitos conforme surgen los problemas. Un ejemplo de lo anterior es el programa de Química sostenible, que se desarrolló a finales del siglo XX, y el cual fue propuesto originalmente en los Estados Unidos de Norteamérica, en la actualidad también se aplica en la Unión Europea, así como en otras partes del mundo. Esta estrategia, que se ha aplicado tanto a nivel educativo, científico e industrial, busca implementar buenas prácticas en la síntesis de compuestos químicos. La propuesta consta de 12 principios, los cuales fueron propuestos por Anastas y Warner.133

70

Estos principios son una guía que ayuda a explicar y aplicar lo que significa la definición de la Química sostenible.134 Estos 12 principios, proporcionan un marco de referencia para que los químicos puedan aplicar la filosofía de la química sostenible:

1. Prevención en la generación de residuos. 2. Maximizar la economía atómica. 3. Síntesis empleando sustancias no tóxicas. 4. Diseño seguro, con productos químicos eficaces y de poca toxicidad. 5. Evitar el uso de sustancias auxiliares. 6. Eficiencia energética. 7. Uso de materias primas renovables. 8. Reducción de derivados. 9. Catálisis: se emplearán catalizadores lo más selectivos posibles. 10. Degradación limpia para que los productos químicos no persistan en el

medio ambiente. 11. Análisis (monitorización) continuo para evitar la contaminación. 12. Seguridad intrínseca y prevención de accidentes.

Cuando un químico tiene en cuenta estos principios, él mismo favorece al medio ambiente y a la larga se pueden disminuir los gastos económicos de las compañías al reducir el costo que implica el control de la contaminación y la energía utilizada. Esta propuesta cae dentro de un concepto más amplio como lo es la sostenibilidad (desarrollo sostenible o sostenibilidad ecológica). En los procesos sintéticos, un pilar fundamental de la química sostenible es la catálisis. Los requerimientos de energía, residuos, número de pasos de síntesis y procesos de aislamiento y purificación, se minimizan al incrementar la selectividad de las reacciones mediante la catálisis. Las reacciones en las que se forman enlaces carbono-carbono utilizando Paladio como catalizador (reacciones de Heck (1968), de Noyori (1987) y de Suzuki (1995)) son estrategias que se aplican con éxito en esta dirección y se aplican con tanta frecuencia cómo es posible tanto en los laboratorios de investigación como en la industria.135 Además los procesos sintéticos deben ser átomo eficientes, esto es, que la mayor parte de la masa de los reactivos quede incorporada en la masa de los productos. Se han propuesto varias maneras de cuantificar la sostenibilidad de un proceso, por ejemplo midiendo su economía atómica, una propuesta hecha por Trost.136 La economía atómica se define por la siguiente relación (Ecuación 1.1).

Ecuación 1.1 Definición de economía atómica

Un ejemplo para ilustrar lo anterior se encuentra en una modificación introducida por Shell Co. En la síntesis de metacrilato de metilo (Esquema 1.36), precursor del polimetacrilato de metilo. La primera síntesis utiliza como materia prima a acetona, la cual se hace reaccionar con cianuro de sodio en presencia de un catalizador ácido para formar la cianohidrina, que reacciona con metanol en medio ácido para dar acrilato de metilo, con una economía atómica total del 47%, mediante una deshidratación y conversión del nitrilo en el éster metílico.

71

Esquema 1.36. Ejemplo del concepto economía atómica, formación de acrilato de metilo.

En el proceso de Shell, la economía atómica es baja y el ácido sulfúrico se utiliza en cantidades estequiométricas.137 En la síntesis modificada haciendo uso de los principios de la Química sostenible, se hace uso de un proceso catalítico. En este proceso, se utiliza como materia prima propino, el cual se hace reaccionar con monóxido de carbono y metanol, en presencia de paladio metálico como catalizador (Esquema 1.37). Este proceso tiene una economía atómica del 100 %, ya que todos los átomos de los reactivos quedan incorporados en el producto final.

Esquema 1.37. Ejemplo economía atómica, formación de metracrilato de metilo.

Los compuestos químicos que tienen usos domésticos e industriales, siempre deberán ser biodegradables, así como lo deberían de ser los intermedios en sus propias síntesis químicas, principio 10 de la Química sostenible.138 Una posibilidad interesante es la de llevar a cabo las reacciones químicas disminuyendo la cantidad de disolvente o mejor incluso sin utilizar disolventes. Si consideramos una reacción en la que los reactivos A y B reaccionan entre sí para formar el producto D (Esquema 1.38).

Esquema 1.38. Expresión para la velocidad de reacción.

La velocidad de la reacción depende directamente de la concentración de los reactivos, por lo que si la concentración se incrementa la velocidad también se incrementa en ausencia de disolvente, la concentración será la más alta posible y por lo tanto la velocidad de la transformación de los reactivos en el producto también será la máxima posible. Uno de los principios de la Química sostenible (principio 5) implica el aplicar lo anterior, eliminando el uso del disolvente (como una sustancia auxiliar), con lo que se ha conseguido llevar a cabo reacciones a temperatura ambiente y en tiempos de reacción cortos.139,140,141 La sustitución de ácidos de Lewis solubles por soportes sólidos (formados por aluminosilicatos, sulfatos o fosfatos), los cuales pueden contener dentro de su estructura ácidos de Lewis como cloruro de aluminio, es una práctica común.142 La ventaja de esta técnica es que una vez que termina la reacción, los sólidos son separados por medio de una filtración, y es posible reactivarlos y reciclarlos lo que ayuda a prevenir la generación de residuos.143

72

1.6. Síntesis orgánica asistida por microondas (MAOS). El uso de microondas como fuente de calentamiento es bastante atractivo para aplicaciones químicas, por lo que se ha convertido en una fuente de energía no convencional aceptada para sintetizar compuestos orgánicos. Un indicio de lo anterior se puede ver en la Figura 1.51, en la que se muestra el número de publicaciones sobre síntesis orgánica asistida por microondas 1986-2007. Barras grises: número de artículos relacionados con MAOS en 7 revistas seleccionadas de síntesis en química orgánica.162 Las barras negras: representan el número de publicaciones (2001-2007) utilizando reactores monomodo con control del proceso.144

Figura 1.51 Representación gráfica de las publicaciones sobre síntesis orgánica asistida por microondas, 1986-2007.

La síntesis orgánica asistida por microondas (MAOS) se caracteriza por las aceleraciones espectaculares en muchas transformaciones como consecuencia de una rapidez de calentamiento que, en muchos casos no puede ser reproducida por el calentamiento clásico.145,146 En general, al usar MAOS es común que:

a) Las condiciones de reacción sean más suaves. b) Los tiempos de reacción sean más cortos. c) Se obtengan rendimientos más altos.

Por todo lo anterior, muchos procesos químicos se pueden mejorar y son objeto de investigación usando la técnica MAOS. En algunos casos, existen reacciones que no ocurren utilizando el método de calentamiento convencional, sin embargo, éstas se pueden llevar a cabo utilizando microondas.147 El uso de las microondas para favorecer las reacciones en química orgánica ha sido muy amplio, y como ejemplos se pueden mencionar reacciones de hidrogenación,148 de oxidación,149 de sustitución electrofílica aromática,150 reacciones pericíclicas,151 y en general muchos procesos de importancia en química orgánica.152 Además, la técnica ya se ha aplicado tanto en química inorgánica como en química del estado sólido.153

1.6.1. Microondas. Fundamentos. Las microondas son ondas electromagnéticas que se encuentran dentro del intervalo entre 300 MHz y 300 GHz, y poseen un período de oscilación de 3 nanosegundos (ns) (3 x 10-9 s) a 3 picosegundos (ps) (3 x 10-12 s). Asimismo, tienen una longitud de onda que cae dentro del intervalo de 1 m a 1 mm (Figura 1.52).

73

Figura 1.52. Regiones del espectro electromagnético

La frecuencia de la banda de las microondas está dividida en los subgrupos de frecuencia que se muestran en la Tabla 1.3.154

Designación (cm) (Hertz) Usos asignados

Frecuencias muy altas (VHF)

105 a 102 30 a 300 MHz Radio FM y televisión

Frecuencias ultra altas (UHF)

102 a 10 300 MHz a 3 GHz Hornos de microondas, radar y algunas diatermias

Frecuencias súper altas (SHF)

10 a 1 3 a 30 GHz Radar, comunicaciones

Frecuencias extra altas (KHF)

1 a 0.1 30 a 300 GHz Comunicación entre los satélites y la tierra

Tabla 1.3. Regiones en las que se subdivide la región de las microondas

Como se puede deducir de la Tabla 1.3, la región del espectro electromagnético está muy controlada por su posible interacción con las telecomunicaciones. Por ello se han establecido los siguientes intervalos de frecuencias para uso Industrial, Científico y Médico (ISM). Debe mencionarse que el uso dentro de este intervalo de frecuencias no necesita de alguna licencia para ser utilizado (Tabla 1.4).154

Frecuencias ISM (MHz) Longitud de onda (cm)

433.92 ± 0.2% 69.14

915 ± 13 32.75

2450 ± 50 12.24

5800 ± 75 5.17

24125 ± 125 1.36 Tabla 1.4. Intervalos de frecuencia ISM

74

En general, los sistemas microondas comerciales para uso doméstico y científico, utilizan las siguientes condiciones:154

Frecuencia () 2450 MHz

Longitud de onda () 12.2 cm

Energía del cuanto (fotón) 0.00096 KJ/mol Tabla 1.5. Condiciones a las que trabajan los hornos de microondas

Al ser ondas electromagnéticas, la propagación de las microondas está descrita por una función de tipo sinusoidal. Se caracterizan por tener un campo magnético y un campo eléctrico (que se propagan en forma perpendicular entre sí). Cuando el campo eléctrico se maximiza, se minimiza el campo magnético y viceversa (Figura 1.52). Se considera que la componente eléctrica es la responsable de la calefacción.

E = CAMPO ELÉCTRICO ASOCIADO; H = CAMPO MAGNÉTICO ASOCIADO

Figura 1.52. Representación de los dos campos de una onda electromagnética

Los equipos microondas constan de dos partes diferenciadas, un generador, donde se produce la radiación electromagnética y un aplicador, donde ésta interactúa con el material. Ambos componentes están unidos por una guía de onda.

1.6.2. Generación de las microondas.155 Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, siendo las más importantes las siguientes: a) Un generador de estado sólido. Estos dispositivos utilizan semiconductores de silicio o bien utilizan arseniuro de galio (GaAs). b) Un dispositivo basado en un tubo de vacío. Los dispositivos basados en tubos de vacío operan teniendo en cuenta el movimiento balístico de un electrón en el vacío bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos, entre los que se incluyen el magnetrón y el Klistron. El magnetrón el más utilizado.

1.6.3. Magnetrón.155 Un magnetrón es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía electromagnética en forma de microondas (Figuras 1.53a y b). Fue desarrollado hacia el final de los años 30 con el fin de alimentar al radar mediante una fuente radioeléctrica potente con una longitud de onda en el orden de cm.

75

a)

b)

Figura 1.53. a) Magnetrón (vista lateral). b) Magnetrón (vista interior) se pueden observar los imanes

.

1.6.3.1. Funcionamiento del magnetrón.

El magnetrón (Figura 1.54a) tiene un filamento metálico el cual, al aplicarle una corriente eléctrica, se calienta para producir una nube de electrones a su alrededor. Este filamento se encuentra en una cavidad cilíndrica de metal y al aplicarle un potencial positivo de alto voltaje con respecto al filamento, éste atrae a las cargas negativas. Las cargas viajarían en forma radial, pero un campo magnético aplicado por unos imanes permanentes (Figura 1.54b) obliga a que los electrones giren alrededor del filamento en forma espiral para alcanzar el polo positivo de alto voltaje.

a)

b)

Figura 1.54. a) Magnetrón, esquema detallado. b) Generación de la corriente eléctrica en la cavidad del magnetrón.

El ánodo tiene un número par de cavidades que actúan como cámaras de resonancia, donde se transforma la energía eléctrica en radiación electromagnética. Finalmente, la señal es amplificada por una antena desde donde pasa al aplicador a través de la guía de onda. (Figura 1.55).156

76

Figura 1.55. Generación de la radiación electromagnética

1.6.4. Aplicadores

Existen dos tipos de aplicadores, los hornos microondas multimodo y los aplicadores monomodo (Figura 1.56).157 En los primeros (hornos domésticos) (Figura 1.56a), la cavidad es muy grande en relación a la muestra y a la longitud de onda de la radiación. Por ello las microondas rebotan en las paredes y como consecuencia se observa una distribución de ondas muy compleja, de manera que algunas zonas reciben más radiación que otras, por lo que presentan problemas de reproducibilidad. Además son sistemas cerrados, por lo que no pueden realizarse montajes de laboratorio convencionales. a)

b)

Figura 1.56 a) Horno microondas multimodo. b) Reactor microondas monomodo

Los hornos microondas domésticos presentan las siguientes desventajas:

No tienen sistemas de medida de la temperatura y la presión.

No tienen sistemas de agitación eficientes.

La radiación es pulsada, es decir, trabajan siempre a la máxima potencia del magnetrón y la radiación se controla conectando y desconectando el magnetrón.

La distribución del campo no es homogénea. Hay zonas que reciben más radiación lo que lleva a la presencia de puntos calientes.

No tienen sistemas ni controles de seguridad.

77

Por todo ello la reproducibilidad es muy baja y no son los sistemas más adecuados para síntesis química. Sin embargo existen sistemas microondas multimodo especialmente diseñados para síntesis química donde muchas de estas desventajas se han minimizado o corregido (Figura 1.56a). Los aplicadores monomodo (Figura 1.56b) están especialmente diseñados para síntesis química. En estos sistemas la cavidad es pequeña, del orden del tamaño de la muestra, y la guía de onda tiene la anchura de la longitud de onda de la radiación, lo que permite seleccionar una onda y enfocarla a la muestra, por lo que se aprovecha mejor la radiación (mayor densidad de campo). La cavidad es abierta, por lo que se pueden utilizar montajes de laboratorio convencional. Por otra parte es posible controlar exactamente la potencia de irradiación. En consecuencia, los reactores monomodo son más adecuados para síntesis química, aunque los sistemas multimodo pueden tener ventajas en algunas circunstancias, especialmente para el trabajo en gran escala o la síntesis paralela (Figura 1.57 y tabla 1.6). a) b)

Figura 1.57. a) Cavidad multimodo. b) Cavidad monomodo

En la tabla 1.6 se comparan los dos tipos de aplicadores, multimodo y monomodo.

Cavidad Multimodo Cavidad Monomodo

Cavidad grande Cavidad compacta

Trabajo a gran escala (5-1000 mL) Trabajo a pequeña escala (0.5-50 mL)

Facilidad de escalado Escalado por flujo continuo

Síntesis paralela Eficacia por automatización

Campo no homogéneo Campo altamente homogéneo

Baja densidad de campo Alta densidad de campo

Alta potencia de salida Menor potencia de salida

Problemas a pequeña escala Gran escala necesita tiempos largos Tabla 1.6. Comparación de sistemas monomodo y multimodo

1.6.5. Interacción de la radiación electromagnética con la materia.

Cuando se exponen los compuestos a las microondas, los efectos térmicos que sufren se incrementan cuando la polaridad de dicho sustrato es alta. Por ejemplo, cuando se irradiaron 50 mL de diversos disolventes durante un minuto y por separado en el horno de microondas, se alcanzaron las temperaturas indicadas en la Tabla 1.7.

78

Disolvente Temperatura (oC) P. e. (oC) Constante dieléctrica ()

H2O 81 100 78.54

CH3OH 65 65 32.63

CH3CH2OH 78 78 24.30

CHCl3 49 61 4.80

Acetona 56 56 20.70

Hexano 25 68 1.89

Heptano 26 98 1.00 Tabla 1.7. Temperaturas alcanzadas para 50 ml. de disolvente durante un minuto de irradiación con microondas.

Algunos disolventes que tienen una constante dieléctrica alta, prácticamente alcanzan su punto de ebullición al ser irradiados con microondas durante 1 min. (e.g. metanol, etanol, acetona). Sin embargo, los disolventes con una constante dieléctrica baja, prácticamente no se calientan (e.g. hexano y heptano).145,146 Por ello, a diferencia de la calefacción convencional, la calefacción con microondas puede considerarse una calefacción selectiva.

1.6.5.1. Transferencia de energía, pérdida dieléctrica.145,146,147,158 En el calentamiento convencional, la transferencia de energía se produce por conducción o por convección, mientras que en el calentamiento por microondas la transferencia de energía se produce por pérdidas dieléctricas. Para que una muestra sea propensa a experimentar calentamiento con microondas, debe poseer las propiedades dieléctricas adecuadas:

a) Constante dieléctrica (o permitividad relativa, ’). Representa la habilidad de la sustancia dieléctrica para absorber la radiación microondas, esto es, la habilidad de un material para almacenar la energía del potencial eléctrico bajo la influencia de un campo eléctrico.159

b) Factor de pérdida dieléctrica (’’). Representa la habilidad de una sustancia para transformar la energía absorbida en calor.

Para poder comparar las habilidades de los diferentes compuestos para generar calor al ser irradiados con microondas, se deben tomar en cuenta sus capacidades para absorber la energía de microondas y convertir la energía absorbida en calor. Estos factores se pueden considerar usando el factor de

disipación (tan ) (Ecuación 1.2).

tan = ''

'

Ecuación 1.2. Factor de disipación

El factor de disipación es el responsable de una alta susceptibilidad hacia la energía de las microondas. En la Tabla 1.8 se muestran las propiedades dieléctricas de diversos compuestos a una potencia de 2.45 GHz y una

temperatura de 298 K.

79

Material ’ ’’ tan x 104

Heptano 1.9 0.00019 1

CCl4 2.2 0.00088 4

Etanol

6.5 1.625 2500

Metanol 23.9 15.296 6400

Agua 76.7 12.0419 1570 Tabla 1.8. Factor de disipación de varias sustancias

En la Tabla 1.8 se puede observar que un alto factor de disipación es el responsable de una alta susceptibilidad hacia la energía de las microondas. Las moléculas con una constante dieléctrica baja (heptano y tetracloruro de carbono) tienen un factor de disipación bajo y no se calientan cuando son irradiados con microondas. Por otro lado, las moléculas con un factor de disipación alto se calientan mucho cuando son irradiadas con microondas. En el caso de etanol y metanol, se observa que sus constantes dieléctricas son muy diferentes, pero el metanol posee un factor de disipación mayor, por lo que éste se acopla mejor con la radiación microondas, lo que da como resultado un incremento de temperatura más rápido. De acuerdo con lo anterior, cuando son irradiados con microondas, los materiales se pueden comportar de diferente manera y se clasifican en tres tipos:

1. Reflejantes de la radiación. Son conductores de la radiación microondas. Estas moléculas no son polares, su momento dipolar es cercano a 0. Dentro de estos materiales se encuentran todos los metales.

2. Absorbentes de la radiación. Son materiales que presentan

valores de tan dentro del intervalo 0.001< tan <1. Se encuentran aquí la mayoría de los compuestos orgánicos.

3. Transparentes de la radiación. Son materiales que no interactúan

con la radiación, en los que el factor tan < 0.001. Son aislantes como el Teflón, el vidrio y el cuarzo.

1.6.6. Microondas y energía de enlace.147,160

Las microondas no son capaces de romper los enlaces en las moléculas orgánicas para favorecer así las transformaciones químicas. En la Tabla 1.9 se muestran las energías de diferentes tipos de enlaces, y como se puede ver, todos estos tienen una energía mayor que la proporcionada por las microondas generadas a diferentes potencias. Por tanto la radiación microondas es exclusivamente un método de calefacción dieléctrica.

Enlace Energía (eV) Energía (KJ mol-1)

C-C 3.61 347

C=C 6.35 613

C-O 3.74 361

C=O 7.71 744

C-H 4.28 413

O-H 4.80 463

X....H 0.04 - 0.44 4 - 42

MO 2.45 MHz 1.0 x 10-5 0.00096

MO 30 GHz 1.2 x 10-3 0.11

MO = Radiación de microondas a la frecuencia indicada Tabla 1.9. Energía de enlace

80

1.6.7. Mecanismos de transferencia de energía.147

Existen varios mecanismos de polarización que pueden explicar la calefacción con microondas. Los más importantes son: a) Mecanismo de polarización dipolar. Por medio de este mecanismo se calientan sustancias que tienen un momento dipolar permanente o inducido (Figuras 1.58a y b). La radiación microondas es altamente polarizante, por lo que los dipolos que, en ausencia de microondas, se disponen de manera aleatoria (Figura 1.58a) se orientan en la dirección del campo microondas (Figura 1.58b). A 2450 MHz el campo cambia de dirección 4.9 * 109 veces por segundo y los dipolos tienden a rotar siguiendo la dirección del cambio. Esto produce un rozamiento y un desfase que libera energía en forma de calor.145,146,152(a),161

a)

b)

Figura 1.58. Orientación de las moléculas a) Sin microondas. b). Con microondas

b) Mecanismo por conducción. La irradiación con microondas de una disolución que contenga iones, hará que éstos se muevan a través de la disolución bajo la influencia del campo eléctrico aplicado, lo que resultará en un gasto de energía debido a un incremento en la rapidez de las colisiones, convirtiendo la energía cinética en calor (Figura 1.59). En ausencia de microondas las distribución de cargas es bastante ordenado (Figura 1.59a). La radiación microondas, altamente polarizante produce una migración de los iones. Nuevamente el campo oscila y provoca la migración de los iones, lo cual produce un rozamiento y un desfase que libera energía en forma de calor. Este efecto es importante a altas temperaturas y es el mecanismo que predominará cuando se utilizan líquidos iónicos o algunos metales que tienen momento dipolar nulo pero que se calientan bien con microondas (Figura 1.59b). a)

b)

Figura 1.59. Comportamiento de una solución que contenga iones. a) Sin microondas. b) Con microondas

1.6.8. ¿Por qué se favorecen las reacciones al utilizar la radiación de microondas?158

La energía de las microondas no cambia el comportamiento químico. Para que las moléculas reaccionen, éstas deben tener una energía cinética total que sea igual o mayor que cierto valor mínimo de energía llamado Energía de Activación (Ea).162 Una colisión con una energía de la misma magnitud (o mayor) a la Ea, da lugar a que las moléculas que interaccionan alcancen el

81

estado de transición, y para que esto suceda, se requiere que las moléculas estén orientadas correctamente. La constante de velocidad de una reacción (k) depende también de la temperatura, ya que la energía cinética depende de ella. La ecuación de Arrhenius es una expresión matemática que establece la dependencia de la constante de velocidad de una reacción con la temperatura a la que se lleva a cabo esa reacción, de acuerdo con la expresión que se muestra en la Ecuación 1.3, donde k (T) es la constante de velocidad a la temperatura T; A el factor preexponencial; Ea la energía de activación y R la constante universal de los gases.

k(T) = Ae- Ea

RT

Ecuación 1.3. Expresión matemática de la ecuación de Arrhenius.

En la Figura 1.60 se ilustra como a temperatura ambiente (25 C, 300 K) el número de moléculas que tienen una energía dada (e.g 1 Kcal/mol) es baja, y es menor si se aumenta la energía (e.g 10 Kcal/mol). A una temperatura más

alta (unos 100 C, 373 K), se incrementa de manera considerable el número de moléculas que tendrán una energía dada (e.g 1 Kcal/mol) y además habrá moléculas que tendrán energía más alta (e.g 10 Kcal/mol y 19 Kcal/mol). En conclusión, conforme se incrementa la temperatura, habrá más colisiones que tendrán la energía necesaria para que ocurra la ruptura y formación de enlaces, y se incrementará la velocidad de la misma.162

Figura 1.60. Distribución de la energía en función de la temperatura.

Como regla general un aumento de 10º en la temperatura de reacción produce una aceleración por un factor de dos los que reduce a la mitad el tiempo de reacción. Por ejemplo una reacción que transcurre a 80ºC en 8 h puede realizarse en 2 min si se realiza a 160ºC. El efecto de la radiación microondas se debe a la interacción de la onda con la materia, lo que da lugar a efectos térmicos y probablemente a efectos “no térmicos” o específicos de la radiación electromagnética. Los primeros han sido determinados y estudiados ampliamente mediante medidas exactas de la temperatura mientras que los segundos son muy controvertidos y muchos autores niegan su existencia. Entre los efectos térmicos se pueden destacar:

• Distinto perfil de calefacción Cuando se utiliza una fuente de calor convencional (e.g. un baño de aceite), se calienta el recipiente de vidrio y el calor se transmite a la mezcla de reacción por mecanismos de conducción y convección. Esto da lugar a pérdidas considerables de energía en forma de calor y gradientes de temperatura

82

grandes ya que las paredes del recipiente están mucho más calientes que el interior (Figura 1.61). Al emplear la energía de las microondas, se calienta toda la materia simultáneamente y la calefacción se transmite por pérdidas dieléctricas. De esta manera se aprovecha mejor la energía, ya que el calentamiento es interno. Su principal ventaja es que no se presentan pérdidas de energía, debido a que el calentamiento interno se lleva a cabo de una forma selectiva y homogénea.

a) b)

ENERGIA DE LAS MICROONDAS

calor generado dentro

del seno de la misma

mezcla de reacción

FUENTE DE CALOR CONVENCIONAL

externamentepor el paso de unacorriente eléctrica

a través de una resistencia

calor generado

Figura 1.61. Calentamiento y perfil de temperatura a) Con microondas b) Con calefacción convencional.

163

• Efectos de sobrecalentamiento

Se ha mostrado que líquidos polares pueden sobrecalentarse con microondas por encima de su punto de ebullición sin que se produzca la ebullición. Este efecto, no accesible mediante calefacción convencional a presión atmosférica puede utilizarse para conseguir resultados no accesibles mediante calefacción convencional (Figura 1.62).

Figura 1.62. Efecto de sobrecalentamiento de etanol bajo microondas.

164

• Presencia de puntos calientes Se ha detectado por varios métodos que en sistemas heterogéneos pueden producirse “puntos calientes”, es decir puntos microscópicos donde la temperatura es muy superior a la temperatura macroscópica, de manera que ésta no sería representativa de la temperatura de reacción (Figura 1.63). Nuevamente esta es una situación que no puede reproducirse fácilmente mediante calefacción convencional.

83

Figura 1.63. Presencia de puntos calientes en una reacción catalizada por paladio.

165

• Calefacción selectiva

Finalmente, se ha descrito la posibilidad de calefacción selectiva de uno de los componentes de la reacción, disolvente, catalizadores o incluso reactivos (radiadores moleculares). El ejemplo más característico es el descrito por Strauss en una eliminación de Hoffmann, donde el producto final descompone a la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción (110ºC). Con microondas la reacción transcurre con buen rendimiento ya que el producto final puede extraer en cloroformo que no se calienta notablemente con microondas (Figura 1.64).

O

NMe3 I

EtO

O

EtO

HNMe3 I

H2O, 110ºC

CHCl3, 60ºC

Figura 1.64. Eliminación de Hoffman en un sistema bifásico bajo microondas.

166

84

CAPÌTULO 2 DERIVADOS DE LA para-FENILÉNDIAMINA

85

CAPÌTULO 2 2.1 OBJETIVOS

86

2.1 Objetivos Se han planteado los siguientes objetivos: La sustitución selectiva en el anillo de triazina, regla de Moffatt,10 se utilizará para introducir grupos dadores y aceptores, para dar cloro y amino triazinas disustituidas, Figura 2.1

Figura 2.1. Estructura de las 1-amino-1,3,5-triazinas-4,6-bissustituídas a sintetizar.

La reacción con un espaciador con funcionalización complementaria se utilizará para obtener bistriazinas que pueden ser consideradas como cables moleculares. Los espaciadores se utilizarán para estudiar el efecto de grupos dadores y aceptores sobre la fluorescencia de estos compuestos, Figura 2.2.36

Figura 2.2. Estructura general de las bistriazinas a sintetizar.

2.1 Metodología

El anillo de 1,3,5-triazina ha mostrado tener aplicaciones en la preparación de OLEDs y ETLs por formación de compuestos D-A. La gran versatilidad del anillo de 1,3,5-triazina ha permitido la preparación de compuestos con forma de estrella donde el dador y el aceptor está conectados por enlaces covalentes pero también pueden sintetizarse compuestos supramoleculares y polímeros conectando el sistema dador y aceptor por enlaces de hidrógeno y coordinación con metales de transición. En este proyecto utilizaremos nuestra metodología para la preparación de nuevos derivados de 1,3,5-triazina y bistriazina con propiedades luminiscentes. La flexibilidad de nuestros procedimientos sintéticos permitirá la preparación de una amplia variedad de estructuras.

Partiendo de la 2-amino-4,6-triclorotriazina, la introducción de dos sustituyentes dadores o aceptores conducirá selectivamente a aminotriazinas con un grupo amino primario libre y conectarse por reacción con 1,1,3,3-tetrametoxipropano38 o cualquier otro reactivo precursor de la estreptocianina, para introducir el espaciador. Las reacciones se realizarán bajo irradiación microondas y en ausencia de disolvente o con la cantidad mínima necesaria para homogeneizar la mezcla de reacción, Esquema 2.1.

87

Esquema 2.1. Ruta sintética a desarrollar.

Alternativamente, y debido a la baja reactividad de los grupos amino de las triazinas se podrían utilizar derivados de hidrazinas, e.g. 1-(4,6-bis(sustituidas)-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina, Figura 2.3.

Figura 2.3. Estructura general de los derivados de hidrazina a sintetizar

Una última opción a probar se muestra en el Esquema 2.2. Se parte del cloruro de cianurilo, la introducción de dos sustituyentes dadores o aceptores conducirá selectivamente a 2-cloro-1,3,5-triazinas-4,6-diaminosustituídas y conectarse por reacción con 1,1,3,3-tetrametoxipropano o cualquier otro reactivo precursor de la estreptocianina, para introducir el espaciador. Las reacciones se realizarán bajo irradiación microondas y en ausencia de disolvente o con la cantidad mínima necesaria para homogeneizar la mezcla de reacción, Esquema 2.2.

88

Esquema 2.2. Ruta sintética opcional a desarrollar. Se estudiarán las propiedades optoelectrónicas de los compuestos sintetizados por espectroscopia UV-vis; mecanismos de agregación determinado la influencia de la temperatura en la espectroscopia UV-vis; y fluorescencia.

89

CAPÌTULO 2 2.2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

90

2.2.1 Síntesis química.

De acuerdo a los objetivos planteados se propuso en primer lugar la preparación de 2-amino-1,3,5-triazinas-4,6-disustituídas.37 Posteriormente por reacción con derivados de malonaldehido se intentará la síntesis de las

moléculas objetivo. 2.2.1.1 Preparación de 2-amino-1,3,5-triazinas-4,6-disustituídas.

Esquema 2.1. Reacciones de SNAr (Meisenheimer), para obtener 2-amino-1,3,5-triazina-4,6-disustituídas.

En el esquema 2.1 se muestra la secuencia de síntesis así como los productos obtenidos. La preparación de 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina (2) se llevó a cabo de acuerdo al procedimiento descrito por Chauhan y Giri167 por reacción con amoniaco en una mezcla de acetona y agua como disolventes. La obtención del compuesto (3) ha sido descrita, a partir de 2-amino-4,6-diclorotriazina, de acuerdo a la regla de Moffatt (capítulo 1.1.2, esquema 1.12),12 en THF en presencia de DIPEA168 o bien en agua.169 Se ha descrito el uso de la síntesis orgánica asistida por microondas (MAOS) para obtener 2,4,6-triarilamino-1,3,5-triazinas a partir de cloruro de cianurilo (2,4,6-tricloro-1,3,5-triazina) en presencia de una base y en disolución de 1,4-dioxano y DMF. 170 En nuestro grupo de investigación se ha utilizado la técnica MAOS, en ausencia de disolvente para la síntesis de derivados trisustituidos de 1,3,5-triazina. Con esto se siguen tres principios de la química sostenible (eficiencia atómica, eficiencia energética y no utilizar disolventes). Se empleó un exceso de la propia amina para neutralizar el cloruro de hidrógeno generado y favorecer así la reacción de SNAr. Este método se utilizó para la síntesis de los compuestos (3) a (5) (Tabla 2.1). La reacción de doble SNAr ocurrió con excelentes rendimientos. Con p-anisidina la reacción requirió 150 W para alcanzar la temperatura de reacción, lo que indica una menor absorción de la radiación con este sustrato. Para obtener el producto (5), la reacción se realizó a 150ºC para favorecer la fusión de la p-nitroanilina (146-149 °C). Con esta amina, menos básica, fue necesario emplear N,N-diisopropiletilamina (DIPEA) como base para neutralizar el cloruro de hidrógeno generado en la SNAr.

91

Compuesto Condiciones* Rendimiento (%)

(3) X = H 100 ºC, 10 min., 100 W 88

(4) X = OCH3 100 ºC, 30 min.,150 W 93

(5) X = NO2 150 ºC, 30 min., 100 W 94

* Se emplearon 2 eq. de amina Tabla 2.1 Reacciones de SNAr sobre 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina, bajo la técnica MAOS.

En el caso de las aminas secundarias, morfolina y piperidina, las reacciones también se hicieron por MAOS. En la Tabla 2.2 se muestran las reacciones efectuadas y las condiciones de reacción.

Compuesto Condiciones* Rendimiento (%)

(6) Y = -CH2- 100 °C, 60 min., 100 W 82

(7) Y = -O- 120 °C, 90 min., 100 W 27

* Se emplearon 2 eq. de amina Tabla 2.2 Reacciones de SNAr sobre la 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina, con aminas secundarias, bajo la técnica MAOS.

La reacción con morfolina no ocurrió con el rendimiento esperado, incluso utilizando condiciones más drásticas. Esta diferencia de reactividad se puede atribuir a una menor nucleofilia de la morfolina frente a la piperidina, lo que puede justificarse teniendo en cuenta que la piperidina es más básica en agua (piperidina pKb = 2.8, morfolina pKb = 5.6)171 y por tanto debe ser mejor nucleófilo. 2.2.1.2 Preparación de derivados de metilhidrazina En el esquema 2.2, se muestra la ruta sintética que se siguió para obtener los derivados de 1-(1,3,5-triazin-2-il)metilhidrazina (13)-(16).

92

Esquema 2.2. Preparación de derivados de 1-(1,3,5-triazin-2-il)metilhidrazina.

2.2.1.2.1. Reacciones de disustitución. Las reacciones efectuadas,12 consistieron en llevar a cabo una doble SNAr sobre cloruro de cianurilo (1) con la anilina adecuada,172 y finalmente una tercera SNAr con metilhidrazina.173 Se utilizó el procedimiento descrito por Kolmakov.172 Para aminas básicas utiliza un buffer ácido acético-acetato de sodio, mientras que para aminas poco básicas utiliza solamente ácido acético. En la Tabla 2.3 se muestran las condiciones y los resultados obtenidos. La reacción con anilina (93%) y con p-anisidina (92%) se produjo con excelentes rendimientos. Con p-nitroanilina se obtuvo una mezcla de productos de mono- y disustitución y no se logró obtener únicamente el producto disustituido. En todos los experimentos que se realizaron con p-nitroanilina se observó que esta amina no era soluble en la mezcla de reacción lo que justifica el bajo rendimiento y selectividad obtenido.

Compuesto Condiciones Rendimiento (%)

(8) X =H 25 °C, 24 h. 88

(9) X = OCH3 25 °C, 24 h. 93

(10) X = NO2 25 °C, 48 h. ---- Tabla 2.3 Reacciones de doble SNAr de cloruro de cianurilo con aminas aromáticas.

Con aminas secundarias (Tabla 2.4) los compuestos se habían descrito previamente en nuestro grupo de investigación,174 como una adaptación del método descrito previamente.175 Las reacciones efectuadas se llevaron a cabo utilizando una relación molar cloruro de cianurilo : amina secundaria (1 : 2), utilizando DIPEA como base y en acetona como disolvente.

93

Compuesto Condiciones * Rendimiento (%)

(11) Y = -CH2- Acetona, 25 °C, 24 h. 55

(12) Y = -O- Acetona, 25 °C, 24 h. 71

* Se emplearon 2 eq. de amina Tabla 2.4 Reacciones de doble SNAr de cloruro de cianurilo con aminas secundarias.

2.2.1.2.2 Reacción con metilhidrazina. La reacción de N-metilhidrazina con clorotriazinas (compuestos (13) a (16)) está descrita con calefacción convencional.173 En nuestro caso, la reacción se llevó a cabo empleando la técnica MAOS en ausencia de disolvente, cumpliendo con los tres principios de química sostenible ya comentados. La purificación se llevó a cabo lavando con acetato de etilo, después con etanol y finalmente con éter etílico (Tablas 2.5 y 2.6).

Compuesto Substrato : metilhidrazina

Condiciones Rendimiento (%)

(13) X = H 1:5 120 C, 100 W, 20 psi, 60 min.

99

(14) X = OCH3 1:6 120 C, 100 W, 20 psi, 30 min.

72

Tabla 2.5. Reacciones de N-metilhidrazina con 2-cloro-4,6-diarilamino-1,3,5-triazinas.

94

Compuesto Substrato: metilhidrazina

Condiciones Rendimiento (%)

(15) Y = -CH2- 1:8 135 C, 80 W, 20 psi, 90 min.

90

(16) Y = -O- 1:11 135 C, 80 W, 20 psi, 90 min.

83

Tabla 2.6. Reacciones de N-metilhidrazina con 2-cloro-1,3,5-triazina-4,6-disustituídas.

2.2.1.3 Reacciones con 1,1,3,3-tetrametoxipropano. Se llevaron a cabo las reacciones que se muestran en el Esquema 2.3, entre 2-amino-4,6-di(4’-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (3) y 1,1,3,3-tetrametoxi-propano, con ácido perclórico como catalizador y en etanol.37

Esquema 2.3. Reacción entre 2-amino-4,6-di(4’-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (3) y 1,1,3,3-tetrametoxipropano.

Se probaron las siguientes variables independientes:

1) Temperatura: a 25 °C o calentamiento a reflujo (92 °C). 2) Tiempo: hasta 168 horas. 3) Concentración.

En todos los casos, se recuperó parte de la materia prima, dando mezclas complejas que no fue posible separar, debido a la baja solubilidad del crudo de reacción en disolventes orgánicos. De la misma manera se muestra la reacción de 1-(4,6-bis(4´-metoxifenilamino)-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (13) con 1,1,3,3-tetrametoxipropano condujo a mezclas complejas que no fue posible separar (Esquema 2.4).

95

Esquema 2.4 Reacción entre 1-(4,6-bis(4´-metoxifenilamino)-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (13) y 1,1,3,3-tetrametoxipropano.

En base a los resultados de las reacciones con 1,1,3,3-tetrametoxipropano, se decidió buscar un sustrato más reactivo, el 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17).43 2.2.1.4 Reacción con hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). Obtención de hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). La preparación del compuesto (17) se llevó por reacción del cloruro del ácido cloroacético con dimetilformamida en una reacción tipo Vilsmeier-Haack de acuerdo a lo descrito en la literatura (Esquema 2.5).43

Esquema 2.5. Formación del compuesto (17)

Es importante que la adición de oxicloruro de fósforo se realice por partes, ya que de lo contrario disminuye el rendimiento. Se realizó a lo largo de 6 horas. Se obtuvo el compuesto (17) con un 47 % de rendimiento. Reacción del 1-(4,6-bis(fenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (13) con hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). Para obtener una de las moléculas finales, el hexaflurofosfato de 1,7-bis(4,6-difenil-2-(1,3,5-triazin)-il)-1,7-dimetil-4-cloro-1,2,6,7-tetraaza-2,4-heptadienio proyecto, se hicieron reaccionar el derivado de la hidrazina (1-(4,6-bis(fenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (13)) y el 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). La reacción se llevó a cabo a reflujo de etanol (Esquema 2.6).

96

N

N

N

N

NNH

H

NH2H3C

(13)

H3CN N

CH3

CH3

H

Cl

H

CH3

PF6

+

N

NN

N

N

H

HNN

N NN

N

H

H

CH3

N

H

H

Cl

N

H

N

H

CH3

PF6

EtOH

CALOR

(17)

Esquema 2.6. Intento de formación del compuesto del hexaflurofosfato de 1,7-bis(4,6-difenil-2-(1,3,5-triazin)-il)-1,7-dimetil-4-cloro-1,2,6,7-tetraaza-2,4-heptadienio.

El espectro de 1H-RMN podría justificarse con la estructura del compuesto buscado. Sin embargo, no se detectó por 13C-RMN el carbono 3 con el átomo de Cl, en la cadena del espaciador. Por espectrometría de masas empleando la técnica MALDI-TOF, se encontró que el producto obtenido presentaba la masa y la relación de intensidad que se muestran en la Tabla 2.7.

m/z Intensidad

554.352 100

555.359 29

556.368 2 Tabla 2.7. Fragmento m/z y relación de intensidades determinadas para el compuesto (18).

Debido a que los dos isotopos del cloro, 35Cl y 37Cl tienen una abundancia relativa de 3 a 1, se debería observar esa relación en las intensidades, lo que no concuerda con la estructura buscada. Basándose en el peso molecular determinado para el producto obtenido, se propone la estructura indicada en la Figura 2.1 para el compuesto (18).

N

NN

N

N

H

H

NN

N NN

N

H

H

CH3

(18)

C31H27N11

Masa exacta: 553,25 Figura 2.1. Estructura del compuesto (18)

La estructura propuesta tiene una masa exacta de 553.25 g/mol lo que concuerda con el observado en espectrometría de masas (MH+ 554.352). Por otra parte, en los espectros de RMN de protón y carbono-13 se observa la

señal correspondiente al grupo metilo a = 3.58 y 34.28 respectivamente y una estructura simétrica con señales idénticas para los anillos de triazina y fenilo (ver parte experimental, subcapítulo 2.3.2.2). El compuesto (18) se obtendría por dimerización, mediante una reacción de sustitución nucleófila aromática por el grupo N-metilo con pérdida de metilhidrazina y de amoniaco (Esquema 2.7).

97

Esquema 2.7. Formación del compuesto (18).

Reacción de 6-amino-2,4-bis(4-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (4) con hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). De manera similar se hizo reaccionar la aminotriazina (6-amino-2,4-bis(4-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (4)) con 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). La reacción se llevó a cabo a reflujo de etanol (Esquema 2.8).

Esquema 2.8. Formación del compuesto (19).

Nuevamente el espectro de 1H-RMN podría justificar la estructura buscada. Sin embargo, no se detectó por 13C- RMN el carbono 3 con el átomo de Cl en la cadena del espaciador. Por espectrometría de masas, empleando la técnica MALDI-TOF, se encontró que el producto obtenido presenta el peso molecular y con la relación de intensidad indicada en la Tabla 2.8.

98

m/z Intensidad

660.347 100

562.257 52

554.300 93 Tabla 2.8. Masa y relación de intensidades, compuesto (19).

Como se puede ver, el compuesto obtenido no tiene cloro. El espectro podría justificarse con un producto de autocondensación (19), con una estructura muy similar al compuesto (18) (Figura 2.2).

Figura 2.2. Estructura propuesta para el compuesto (19).

Dímeros de estructuras similares pueden encontrarse en la literatura, como la reacción de aminotriazinas con clorotriazinas descrita por Schnabel (Esquema 2.9).176

Esquema 2.9. Reacción descrita por Schnabel, et. al.

176

2.2.1.5 Derivados de p-feniléndiamina Debido a la baja reactividad de los grupos amino unidos al anillo de triazina y a las reacciones secundarias observadas con los derivados de metilhidrazina, no fue posible acceder a los productos deseados. Las amino triazinas se comportan más como amidinas que como aminas aromáticas, de ahí su baja reactividad que se ha mostrado en la reacción con muy diversos reactivos electrófilos.177 Por ello se planteó la posibilidad de introducir un espaciador en el anillo de triazina, p-fenilendiamina. En este caso la reacción para la formación de los sistemas diméricos se produciría con una amina aromática, más reactiva que las aminotriazinas (Esquema 2.10).

99

Esquema 2.10. Obtención de derivados de 2-(4-aminofenilamino)-1,3,5,-triazina-4,6-disustituídas (22)-(25).

Preparación de los derivados de naftilo y difenilamino (20) y (21) Como el objetivo del proyecto era obtener compuestos que presentaran fluorescencia, se planteó la preparación de los compuestos (20) y (21), ya que los grupos diarilamino y naftilamino, son buenos fluoróforos.178 2-Cloro-4,6-bis(2-naftilamino)-1,3,5-triazina (20)

La reacción de cloruro de cianurilo con -naftilamina siguiendo la técnica de

Kolmakov para aminas poco básicas (-naftilamina, pKa = 3.92),172 en ácido acético glacial y tiempos largos (48 horas) condujo al producto deseado con un 32% de rendimiento (Esquema 2.11).

Esquema 2.11. Obtención de 2-cloro-4,6-bis(2-naftilamino)-1,3,5-triazina (20).

6-Cloro-4,6-bis(N,N-difenilamina)-1,3,5-triazina (21). La preparación de (21) intentó por reacción de cloruro de cianurilo con difenilamina (Esquema 2.12) utilizando el mismo procedimiento (difenilamina, pKa = 0.79).172

La reacción en ácido acético glacial, a 25 C, durante 60 horas no dio el producto esperado, sino el producto de monosustitución, 4,6-dicloro-2-(N,N-difenilamino)-1,3,5-triazina (21a) con un 85 % de rendimiento. Si se fuerzan las

condiciones de reacción calentando a 180 C en ausencia de disolvente se obtiene la tris(N,N-difenilamino)-1,3,5-triazina (21b) con un 74 % de rendimiento.179 Finalmente se logró obtener la 6-cloro-4,6-bis(N,N-difenilamina)-1,3,5-triazina (21) con un 61 % de rendimiento cuando la reacción entre cloruro de cianurilo y difenilamina se llevó a cabo empleando DIPEA como base y calentando a ebullición de di(n-butil)éter (150 °C) (Esquema 2.12).

100

N

N

N

ClCl

Cl

+

N AcOH, 25 ºC

60 horas

N

N

N

NN

Cl

(21)

H

N

N

N

ClN

Cl

(21a)

N

N

N

NN

N

sin disolvente

180 ºC

(21b)

Bu2O

150ºC

Esquema 2.12. Reacción de cloruro de cianurilo con difenilamina. Preparación de 2-cloro-4,6-bis(difenilamina)-1,3,5-triazina (21).

Reacción 2-cloro-1,3,5-triazinas-4,6-disusitutidas (9), (12), (20) y (21) con p-feniléndiamina Las de 2-(4´-aminofenilamino)-1,3,5-triazina-4,6-disustituidas (22)-(25) se obtuvieron con excelentes rendimientos, por reacción de los compuestos (9), (12), (20) y (21) con p-fenilendiamina, en las condiciones estándar para la tercera sustitución, radiación microondas en DMSO, tiempos de reacción de 15-60 min y temperaturas de 130-140 ºC (Tabla 2.9).

R1 R2 Condiciones Comp. Rendimiento (%)

H 4-(CH3O)C6H4- 140 °C, 70 W, 15 min. (22) 9874

H 2-Naftilo 140 °C, 70 W, 20 min. (23) 98

-CH2-CH2-O-CH2-CH2- 130 °C, 90 W, 60 min. (24) 94

Ph Ph 140 °C, 70 W, 15 min. (25) 99 Tabla 2.9. Preparación de los compuestos (22) a (25).

Preparación de los sistemas diméricos (26)-(29). La introducción del espaciador, p-feniléndiamina, si permitió la preparación de los productos finales (26) a (29), los cuales se obtuvieron por reacción de condensación de los compuestos (22) a (25) con 3-cloro-N,N,N,N,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17) a reflujo de etanol (Tabla 2.10).

101

R1 R2 Tiempo Compuesto Rendimiento (%)

H 4-(CH3O)C6H4- 4 h. (26) 20

H 2-Naftilo 7 h. (27) 48

-CH2-CH2-O-CH2-CH2- 4 h. (28) 29

Ph Ph 60 h. (29) 44 Tabla 2.10. Preparación de los compuestos (26) a (29).

2.2.2 Estudio por RMN de los compuestos obtenidos. 2.2.2.1 2-Amino-1,3,5-triazinas-4,6-disustituídas (2)-(7).

Compuesto NH2-6 NH-2,4 C-2,4 C-6

(2) 8.55 -------

(3) 6.56 9.03 164.43 166.81

(4) 6.39 8.78 164.40 166.79

(5) 7.22 10.12 163.61 165.84

(6) 6.00 ---- 164.27 169.99

(7) 6.31 ---- 165.00 169.89 Tabla 2.11. Señales características de las 2-amino-1,3,5-triazinas-4,6-disustituídas (2)-

(7), (ppm), disolvente DMSO-d6.

El desplazamiento químico de los protones de los grupos amino depende de las características de los sustituyentes. En el compuesto (2), utilizado como referencia, la presencia de los átomos de cloro hace los hidrógenos se encuentren muy desapantallados y presenten un desplazamiento a campo muy bajo (8.55 ppm). La introducción de grupos amino produce un desplazamiento

102

a campo alto. El sustituyente en el anillo bencénico ejerce cierta influencia en el desplazamiento de los grupos amino. Como cabría esperar, el grupo dador (-OCH3), produce un apantallamiento (6.39 ppm), mientras que el grupo atractor (–NO2) produce un desplazamiento a campo bajo (7.22 ppm). En los desplazamientos químicos de los carbonos de la triazina, siempre el C-6, unido al grupo amino primario, aparece a mayor desplazamiento químico. Estas señales se asignaron inequívocamente por su diferente intensidad ya que una representa dos carbonos y la otra uno solamente. Estos criterios de asignación se extendieron al resto de productos. 2.2.2.2 Derivados de 1-(1,3,5-triazin-2-il-4,6-disustituídas)-1-metilhidrazina (13)-(16).

Compuesto NH2 NH-4,6 N-CH3 C-2 C-4,6

(13) 4.94 9.19 3.24 165.50 163.79

(14) 4.89 8.97 3.21 165.52 163.71

(15) 4.71 ---- 3.14 165.52 163.71

(16) 4.49 ---- 3.32 165.51 164.55 Tabla 2.12. Señales características de las 1-(1,3,5-triazin-2-il-4,6-disustituídas)-1-

metilhidrazina (13)-(16), (ppm), disolvente DMSO-d6.

La característica más importante en estos compuestos es la aparición de una

señal a ≈ 4.80 correspondiente al grupo amino primario y otra a ≈ 3.2 del grupo metilo de la hidrazina. 2.2.2.3 2-(4´-Aminofenilamino)-1,3,5-triazina-4,6-disustituídas (22)-(25).

NN

NNR1

NR2

N

H

NH21

23

4

56

R2

R1

(22) R1 = p-CH3OC6H4, R2 = H

(23) R1 = R2 = -CH2CH2OCH2CH2-(24) R1 = 2-Naftil, R2 = H

(25) R1 = R2 = C6H5 Compuesto NH2 NH-2 NH- en C-4,6 C-5 C-4,6

(22) 4.80 8.80 8.95 164.11 163.96

(23) 4.70 8.59 ---- 165.19 164.37

(24) 4.60 8.55 8.97 165.49 163.61

(25) 4.59 8.72 ---- 163.33 163.00 Tabla 2.13. Señales características de las 2-(4´-aminofenilamino)-1,3,5-triazina-4,6-

disustituídas (22)-(25), (ppm), disolvente DMSO-d6.

103

Se observa la aparición de un tercer grupo amino a ≈ 7.7, así como dos dobletes del sistema p-disustituído. 2.2.2.4 Bistriazinas (26)-(29)

(26) R1 = p-CH3OC6H4, R2 = H

(27) R1 = R2 = -CH2CH2OCH2CH2-(28) R1 = 2-Naftil, R2 = H

(29) R1 = R2 = C6H5

N N

N N

NR2

R2

N

Cl

H

H

PF6

H

N

HN

N N

N

NR1 R2

R1 H

N

N

H

1

2

3

1''2''

3''4''5''

6''

4

5

R2

R1

R1

Comp. H-2,4 NH-2’’ NH-4’’,6’’ NH-1,5 C-3 C-2’’ C- 4’’,6’’

(26) 8.24 8.99 9.09 * 94.27 163.87 163.99

(27) 8.01, 8.26

9.09 ---- 9.01; 9.02

106.07 163.57 164.54

(28) 8.99 7.20 9.13 * 98.00 164.06 166.03

(29) 8.17 6.81 ---- 9.10 98.08 161.57 163.28

* No observadas Tabla 2.14. Señales características de las bistriazinas (26)-(29), (ppm), disolvente DMSO-d6.

Los sistemas diméricos presentan espectros complejos como corresponde a su estructura y en muchos casos presentan señales anchas debido a las múltiples posibilidades de procesos dinámicos que pueden darse en estos compuestos (ver subcapítulo 2.2.5). Por ello, en muchos casos los espectros se registraron a 80ºC. Este ensanchamiento es especialmente importante en los espectros de RMN de carbono-13 donde muchas señales son muy anchas y no llegan a observarse incluso aumentando la temperatura. Se observan las señales características de los productos de partida (22)-(25) así como del sistema diénico. En RMN de carbono-13, se observa la aparición

de la señal de C-3 muy apantallada, ≈ 99, mientras que las señales de C-2,4

aparecen muy desapantalladas, ≈ 150, aunque en muchos casos no se observan. En RMN de protón, se observa la aparición de las señales de H-2,4

por encima de ≈ 8. Es destacable que los protones 2 y 4 del sistema diénico son equivalentes por efecto de mesomería. Sin embargo en el compuesto (27) (con grupos morfolino) se observan dos señales diferentes y además aparecen desdobladas las señales de los anillos bencénicos. Este efecto se ha estudiado por resonancia dinámica y los resultados se encuentran recogidos en el capítulo 2.2.2.5. Las señales de los espaciadores p-feniléndiamino se han asignado por comparación con los productos de partida considerando el efecto que la formación de la imina tiene sobre los desplazamientos químicos de protón y carbono-13. En cualquier caso, la aparición del sistema para disustituido es muy característica en el espectro de protón. Las señales de los grupos unidos al anillo de triazina, p-metoxifenilamino, morfolino, naftilamino y difenilamino se han asignado teniendo en cuenta sus características, el efecto de los sustituyentes y sobre todo por comparación con

104

los correspondientes precursores. Es destacable el caso del grupo naftilamino que da lugar a espectros complejos (Figura 2.3).

Figura 2.3. Espectro de 1H-RMN del compuesto (28)

El grupo naftilamino presenta dos sistemas de espines, un sistema ABC en el anillo aminosustituido y un sistema ABCD en el segundo anillo. Además en esta zona se encuentran los protones del espaciador p-disustituido y del sistema diénico. El sistema ABC puede asignarse fácilmente teniendo en cuenta el efecto del grupo amino y la multiplicidad esperada para los tres protones. Por el contrario el sistema ABCD no es un sistema de primer orden por lo que la asignación es más compleja. Para resolver el sistema de espines se realizó una simulación utilizando el software MestreNova, Figura 2.4.180

En la figura 2.4, se muestran sobrepuestos el espectro del compuesto (28) (color rojo), y la simulación en color azul, donde se puede observar una buena concordancia entre ambos. Así se pudo realizar la asignación de todos los protones del grupo naftilo tal y como se indica en la figura 2.5.

105

Figura 2.4. Espectro experimental del compuesto (28) (rojo) y determinado experimentalmente, sobrepuesto con el espectro simulado (azul) obtenido con el programa Mestre Nova.

180

HN

H

H

HH

H

H

H

R

7.52

7.52

7.95

8.05

7.60

7.75

7.45

7.2 Hz

8.1 Hz

8 Hz

8 Hz

1.6 Hz

1.6 Hz

Figura 2.5. Asignación de las señales del grupo naftilamino en el compuesto (28).

2.2.2.5 Estudios de RMN dinámica Los espectros de RMN del derivado de morfolina, compuesto (27), varían notablemente con la naturaleza del disolvente (Tabla 2.15 y Figura 2.5). Así, tanto en DMSO como en cloroformo, a temperatura ambiente (298 K) se observa el desdoblamiento de las señales de los anillos bencénicos, de los protones 2 y 4 (uno de ellos aparece como d y el otro como s) de la cadena y de los NH. Por el contrario, en DMF no se observa este desdoblamiento a temperatura ambiente.

106

Disolvente T (K) CH2 H-2’,6’ H-3’,5’ H-2,4 NH-1,5 NH

DMSO 298 3.60 3.67

7.02 7.19

7.61 7.58

8.01 (d) 8.26 (s) J = 12.7

9.01

J = 12.7

9.02 9.09

CDCl3 298 3.66 3.71

6.94 7.13

7.51 7.39 (d) 8.04 (s) J = 12.7

6.88 6.65 6.69

DMF 298 3.69 3.75

7.27 7.81 8.28 9.17

DMF 353 3.71 3.77

7.23 7.76 8.18 8.69

DMF 233 3.66 7.15

7.45 7.84 8.35 (d)

8.40 (s) J = 11.6

9.58 9.64

Tabla 2.15. Espectros de 1H-RMN del compuesto (27) a 298 K en DMSO-d6, CDCl3 y

DMF-d7.

Figura 2.5. Espectros de 1H-RMN del compuesto (27) a 298 K en DMSO-d6, CDCl3 y

DMF-d7.

En DMF-d7 se observa claramente el desdoblamiento al bajar la temperatura hasta 233 K (Figura 2.6). Aumentando la temperatura es posible determinar la coalescencia de las señales de los protones del fenilo a 270 K (Figura 2.7). Así, considerando que pueden determinarse los desplazamientos químicos cuando el proceso de intercambio es lento y la temperatura de coalescencia, es posible

107

determinar la energía libre de activación del proceso a partir de la ecuación 2.1.181

G# = a T [9,972 + log (T/)] a = 1,914 * 10-2 KJ mol-1 a = 4,575 * 10-3 Kcal mol-1

Ecuación 2.1

Figura 2.6. Espectros de

1H-RMN del compuesto (27) en DMF-d7 a 233, 270 y 298 K.

Tc (ºC) Tc (K) A B G (Kcal mol-1)

G (KJ mol-1)

-3 270 2240.1 2147.5 92.6 12.89 53.94 Figura 2.7. Espectros de

1H-RMN del compuesto (27) en DMF-d7 a 233, 270 y 298 K.

Coalescencia de las señales del fenilo.

108

Tanto en DMSO como en CDCl3 no es posible determinar la temperatura de coalescencia aumentando la temperatura. Por ello se determinó la energía libre de activación del proceso mediante la secuencia de intercambio en dos dimensiones (2D EXSY).

2.2.2.5.1 Estudios de Resonancia Magnética Nuclear Dinámica (DNMR) en dos dimensiones (2D EXSY). Las técnicas más empleadas para la evaluación de velocidades de reacción son el análisis de forma de banda y la transferencia de magnetización.181,182 Sin embargo, la aplicación de ambos métodos se hace más difícil cuando aumenta el número de señales que se intercambian, o si la diferencia de desplazamientos químicos disminuye.183 Los sistemas multicentros, que no pueden estudiarse por métodos convencionales, pueden estudiarse por espectroscopía 2D de intercambio (2D EXSY). Con este método, cada proceso individual puede separarse en el mapa en dos dimensiones, por tanto se evitan las interferencias entre procesos.184-186 El experimento 2D EXSY se ha aplicado a la resolución de procesos cinéticos complejos, en química organometálica, metalotropía y comportamiento fluxional, estudios conformacionales, etc… .187-192 Una característica especial de la técnica 2D EXSY es que se obtienen las constantes cinéticas a partir de los datos espectrales, en lugar de la energía libre de activación. La característica esencial de los experimentos 2D EXSY cuantitativos es la relación entre la intensidad de un pico de correlación y la constante de velocidad del proceso de intercambio. Los picos de correlación en el espectro corresponden a los núcleos que se intercambian. Las intensidades de los picos de correlación no corresponden directamente a la matriz de intercambio sino a su forma exponencial.186 Las constantes de velocidad pueden deducirse a partir del espectro de acuerdo a la ecuación 2.2.

R = -ln A/m = - X (ln)X-1/m Ecuación 2.2

donde Aij = Iij/Mj, m es el tiempo de mezcla, Ii(m)/Mj y X es la matriz cuadrada

de eigenvectors de Ai, de manera que X-1AX = =diag(i), con i el valor i del eigenvalor A. Iij puede deducirse midiendo el volumen de cada pico directamente en el espectro. Mj es el volumen del pico diagonal del espectro registrado con un tiempo de mezcla cercano a 0, sin intercambio químico. Otra característica esencial del proceso es que (Ecuación 2.3).

Kij pi = Kji pj Ecuación 2.3

donde Kij y Kji son las constantes de velocidad de los procesos i → j y j → i, respectivamente, y pi es la población relativa del centro i. Los espectros de intercambio en dos dimensiones (EXSY) se adquirieron en modo fase sensitiva utilizando el método States-Haberkorn.193 Se emplearon una anchura espectral de 1-kHz con 16 tránsitos de 256 puntos para cada 256 incrementos. Se empleó un tiempo de relajación de 0,2 s, un pulso de 90º y un tiempo de preadquisición de 0,125 s. Las FID’s se procesaron con filtros (square cosine-bell) en ambas dimensiones y se aplicó el llenado de ceros antes de la doble transformada de Fourier. Para la determinación de los parámetros cinéticos se requieren dos experimentos con tiempos de mezcla de 1 s (optimizado) para el experimento

109

de intercambio y 0.02 s para el espectro sin intercambio, respectivamente. La relación de picos de correlación/picos diagonales se determinó integrando el volumen de los picos. En las figuras 2.8 y 2.9 se muestran los espectros de intercambio 2D EXSY en DMSO-d6 y CDCl3, así como las constantes de velocidad y la energía libre de activación de intercambio.

Reacción K (1/s) Temperatura (K) G (Kcal/mol) G (KJ/mol)

Fenilo 1,2 0,312 298 18,13 75,85

2,1 0,944 298 17,48 73,11

Promedio: 17,80 74,48

Cadena 1,2 1,132 298 17,37 72,66

2,1 1,243 298 17,31 72,43

Promedio: 17,34 72,55

Figura 2.8. Espectros EXSY (tm = 1 s) del compuesto (27) en DMSO-d6 a 298 K y determinación de los parámetros termodinámicos.

110


Fenilo 1,2 0,819 298 17,56 73,46

2,1 1,37 298 17,26 72,19

Promedio: 17,41 72,83

Cadena 1,2 1,086 298 17,39 72,76

2,1 1,03 298 17,42 72,90

Promedio: 17,41 72,83

Figura 2.9. Espectros EXSY (tm = 1 s) del compuesto (27) en CDCl3 a 298 K y determinación de los parámetros termodinámicos.

Los compuestos sintetizados presentan numerosas posibilidades de isomería conformacional y configuracional. La determinación de las especies implicadas en el proceso cinético se ha realizado en base a los espectros de RMN y los cálculos computacionales (véase capítulo 2.2.5). Las conclusiones finales sobre el proceso se recogen en el capítulo 3.2.2.2.

111

2.2.3 Propiedades optoelectrónicas 2.2.3.1 Objetivos Se realizó un estudio de las propiedades fotoluminiscentes de las bistriazinas obtenidas unidas por un sistema diénico como espaciador (Figura 2.10).

Figura 2.10. Estructuras de las bistriazinas (26)-(29).

Se registraron los espectros de absorción (UV-Visible) y de emisión (Fluorescencia) para cada uno de los compuestos indicados, con tres disolventes con polaridad diferente (CH2Cl2 (o CHCl3), CH3OH y DMF), y al menos con tres concentraciones diferentes (10-5 M, 10-6 M y 10-7 M). Los espectros se compararon con las materias de partida, la sal de iminio, compuesto (17) y las triazinas-2,4,6-trisustituídas, compuestos (22) a (25), con objeto de determinar el efecto que produce la unión de los sistemas de triazina a través de un espaciador conjugado. Debido a que en la estructura de estos compuestos se encuentran grupos atractores y dadores de electrones, además del sistema diénico que une a las dos triazinas, pueden ofrecer propiedades interesantes para que se desarrollen

nuevos compuestos luminiscentes. El empleo de moléculas -conjugadas

como materiales fotoluminiscentes fue introducido por Tang y Van Slyke en 1987, en el primer trabajo descrito sobre el empleo de diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs).194 La investigación en este campo ha sido y sigue siendo muy intensa. Como resultado de esta investigación llegó al mercado el primer OLED.195 La aplicación de los OLEDs en la fabricación de pantallas con color es un campo en constante investigación. Para ello se requieren emisores de color rojo, verde y azul (los colores primarios). Otras posibles aplicaciones serían en la fabricación de otros dispositivos optoelectrónicos como celdas solares sensibilizadas con pigmento orgánico (DSSC) o transistores orgánicos. Se discutirán: 1) En primer lugar los espectros de absorción y fluorescencia de las triazinas

y de sus correspondientes bistriazinas unidas por un espaciador diénico. Se observarán los siguientes factores: a) Efectos de disolvente. b) Efectos de la concentración.

112

2) En segundo lugar la influencia de la temperatura en los espectros de UV-visible, para determinar si las bistriazinas unidas por un espaciador diénico presentan agregación (formación de excímeros), y por medio de qué tipo de mecanismos se lleva a cabo la formación de éstos.

3) En tercer lugar, se plantearán algunas conclusiones. 2.2.3.2 Resultados

Espectro UV-vis

300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF

SOLVENT CHANGE

COMPOUND (17)

10m5M

Disolvente (nm) Absorbancia (ua)*

CH2Cl2 327 0.762

CH3OH 327 0.007

DMF 327 0.151

*unidades arbitrarias Figura 2.11. Espectro UV-vis del compuesto (17) en varios disolventes.

El espectro de absorción del compuesto (17) (Figura 2.11) presenta un máximo de absorción a 327 nm cuya intensidad depende notablemente de la polaridad del disolvente. Así mientras presenta una buena absorbancia en diclorometano, ésta prácticamente desaparece en metanol.

113

Espectros de fluorescencia

300 400 500 600

0

20

40

60

80

100

COMPUND (17)

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 327 nm

CH3OH, 322 nm

CH3OH, 361 nm

DMF, 324 nm

INFLUENCE OF SOLVENT AND EXCITATION WAVELENGTH

Disolvente excitación (nm) emisión (nm) Intensidad

CH2Cl2 327 382 20

CH3OH 322 394 102

CH3OH 381 430 9

DMF 324 382 4 Figura 2.12. Espectros de fluorescencia del compuesto (17).

Con el compuesto (17), la emisión varía con la naturaleza del disolvente y la longitud de onda de excitación (Figura 2.12). La mayor intensidad en el espectro de emisión se observa con una longitud de onda de excitación de 322 nm en metanol y tiene una longitud de onda de emisión de 394 nm. Es destacable que en cloroformo y DMF la intensidad de fluorescencia aumenta con la dilución, lo que podría relacionarse con una agregación en el estado excitado en estos disolventes, es decir, la formación de excímeros. Este efecto no se observa cuando el disolvente es metanol probablemente porque la asociación puede romperse por la formación de puentes de hidrógeno con el disolvente.

114

Espectro UV-vis a) Escala absorbancia 0 a 3.0 b) Escala de absorbancia 0 a 0.6

300 350 400 450

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF

COMPOUND (22)

10m5M

300 350 400 450

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF

COMPOUND (22)

10m5M

Disolvente (nm) Absorbancia

CH2Cl2 283 0.269

CH3OH 275 0.306

DMF 281 0.489 Figura 2.13. Espectro UV-vis del compuesto (22) en varios disolventes.

El compuesto (22) presenta un máximo de absorción centrado a aproximadamente 280 nm con un ligero efecto solvatocrómico (Figura 2.13). Al pasar de un disolvente prótico polar (metanol) a un disolvente con una menor polaridad (cloroformo), se observa un pequeño efecto batocrómico y también una ligera disminución de la intensidad.

115


250 300 350 400 450 500

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 280 nm

CH3OH, 278 nm

DMF, 284nm

INFLUENCE SOLVENT AND EXCITATION WAVELENGTH

COMPOUND (22)


CH2Cl2 280 409 17

CH3OH 278 399 17


La fluorescencia del compuesto (22) depende del disolvente empleado, pero en todos los casos la intensidad es muy baja.

116

Espectro UV-vis

250 300 350 400 450 500 550 600

0

1

2

3

Abso

rba

nce

Wavelength nm

CH2Cl2

CH3OH

DMF

SOLVATOCHROMIC EFFECT

COMPOUND (26)


CH2Cl2

250 0.268

279 0.544

380 0.198

CH3OH

250 0.268

278 0.503

378 0.253

DMF

250 2.860

287 0.775

386 0.449 Figura 2.15. Espectro UV-vis del compuesto (26) en varios disolventes.

El espectro de absorción del compuesto (26) (Figura 2.15) presenta tres bandas de absorción a 250, 279 y 380 nm aproximadamente con muy ligeros cambios al variar el disolvente, salvo el aumento de intensidad de la banda a 250 nm cuando el espectro se registra en DMF. Las bandas observadas pueden relacionarse con los productos de partida, siendo la banda a 280 nm la derivada del sistema de triazina y la banda a 380 nm la derivada del sistema diénico. En este caso se produce un desplazamiento batocrómico de 53 nm aproximadamente debido al aumento de la conjugación con los anillos bencénicos.

117

En ambas bandas, tal y como ocurre con los productos de partida, se observa un aumento de la intensidad de fluorescencia con la dilución, lo que se justifica con un aumento de la agregación en el estado excitado. Espectros de fluorescencia

250 300 350 400 450 500 550

0

200

400

600

800

1000In

ten

sity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 278 nm

CH2Cl2, 380 nm

CH3OH, 278 nm

CH3OH, 382 nm

DMF, 281 nm

DMF, 386 nm


COMPOUND (26)

10m6 m


CH2Cl2 278 378 148

407 139

433 99

CH2Cl2 380 409 669

433 1006

458 402


Se observa una intensidad de emisión muy baja salvo en diclorometano, cuando la excitación se produce a 380 nm (emisión a 433 nm) (Figura 2.16). Las bandas e intensidades de emisión están relacionas con las observadas en los productos de partida (17) y (22) lo que indica que los dos sistemas, triazina y dieno se comportan de manera independiente. El aumento de intensidad de la banda de 433 nm puede explicarse por la mayor conjugación del sistema diénico con los anillos bencénicos. Las bandas a 278 y 380 aumentan de intensidad con la dilución, especialmente en diclorometano, lo que nuevamente puede relacionarse con una asociación en el estado excitado.

118

Espectro UV-vis a) Escala absorbancia 0 a 5.5 b) Escala absorbancia 0 a 0.5 y

longitud de onda 270 a 300 nm

260 270 280 290 300 310

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF

COMPOUND (23)


10m5M

270 280 290 300

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF

COMPOUND (23)


10m5M


CH2Cl2 278 0.126

CH3OH 273 0.224


En el compuesto (23), se observa una banda centrada a 280 nm (Figura 2.17) con un ligero efecto solvatocrómico. Al pasar de un disolvente prótico polar (metanol) a uno aprótico apolar (diclorometano), se observa un ligero efecto batocrómico y algo mayor al pasar a un disolvente aprótico polar (DMF).

119


250 300 350 400 450 500

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 277 nm

CH3OH, 234 nm

CH3OH, 276 nm

DMF, 286 nm


COMPOUND (23)


CH2Cl2 277 410 17

CH3OH 234 372 52

CH3OH 276 374 249


Nuevamente, con el compuesto (23) la longitud de onda de emisión así como la intensidad depende fundamentalmente del disolvente empleado. La mayor longitud de onda e intensidad corresponde a los espectros registrados en metanol.

120

Espectro UV-vis

250 300 350 400 450 500 550 600

0

1

2

3

4

5

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF


COMPOUND (27)

10m6 M


CH2Cl2

285 0.123

317 0.111

383 0.188

CH3OH 285 0.134

382 0.076

DMF

285 1.324

317 1.012


Nuevamente el espectro (Figura 2.19) puede considerarse como una suma de los espectros de los productos de partida, observándose un desplazamiento de la banda del sistema diénico de 52 nm. Por otra parte se observa una mayor absorción en DMF.

121


250 300 350 400 450 500 550

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

CH

2C

l2, 2

72

nm

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 272 nm

CH2Cl2, 379 nm

CH3OH, 232 nm

CH3OH, 287 nm

CH3OH, 381 nm

DMF, 317 nm

DMF, 385 nm

10m6 M


COMPOUND (27)


CH2Cl2 379 408 298

432 321

CH3OH 232 336 79

CH3OH 287 317 70

CH3OH 381 432 17


En el espectro de fluorescencia del producto (27) (Figura 2.20), de manera similar a lo observado en el compuesto (26), la mayor intensidad de fluorescencia de observa en diclorometano, con una longitud de onda de emisión de 432 nm (intervalo 300-550).

122

Espectro UV-vis a) Escala absorbancia 0 a 6.0 b) Escala absorbancia 0 a 0.5 nm

250 300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF


COMPOUND (24)

10 m6M

250 300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Abso

rba

nce

Wavelenght (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF


COMPOUND (24)

10 m6M


CH2Cl2 294 0.496

CH3OH 278 0.191


El compuesto (24), presenta un máximo de absorción a 278-305 nm, con un efecto batocrómico máximo de 27 nm al pasar de metanol a DMF. Por el contrario la mayor intensidad se observa en diclorometano (Figura 2.21).

123


200 250 300 350 400 450 500 550

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 295 nm

CH3OH, 221 nm

CH3OH, 293 nm

DMF, 205 nm


COMPOUND (24)

10m5 M


CH2Cl2 295 379 46

CH3OH 221 378 4

CH3OH 293 376 12


Como se puede ver en la figura 2.22, el compuesto (24) presenta una baja intensidad de fluorescencia y un efecto del disolvente prácticamente inapreciable, con una longitud de onda de emisión de 378 nm.

124

Espectro UV-vis

225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF


COMPOUND (28)

10 m6M


CH2Cl2 308 0.502

378 0.409

CH3OH 301 0.510

383 0.324

DMF 308 0.450


La presencia del grupo naftilo produce un aumento en la longitud de onda de la banda correspondiente al sistema de triazina, hasta 308 nm respecto a los anteriores derivados (26) y (27) (Figura 2.23). Por el contrario la banda correspondiente al sistema diénico permanece unos 380 nm. En ambas bandas hay un pequeño efecto solvatocrómico, La mayor longitud de onda para banda de la triazina se observa en diclorometano y DMF (308 nm) y para la banda del sistema diénico en DMF (385 nm).

125


250 300 350 400 450 500 550

0

50

100

150

200

250

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 306 nm

CH2Cl2, 381 nm

CH3OH, 301 nm

CH3OH, 383 nm

DMF, 314 nm

DMF, 384 nm


COMPOUND (28)

10m6 M


CH2Cl2 306 380 233

CH2Cl2 381 438 12

CH3OH 301 303 28

CH3OH 383

DMF 314 380 16

DMF 384 Figura 2.24. Espectros de fluorescencia del compuesto (28).

Como se puede ver en la Figura 2.24, con el compuesto (28), la mayor intensidad de emisión se produce en diclorometano, tanto para la banda de emisión a 380 nm como para la banda a 438 nm. Se observan emisiones dentro del intervalo de 300-500 nm.

126

Espectro UV-vis

275 300 325 350 375 400

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF


COMPOUND (25)

10m6 M


CH2Cl2 284 0.92

CH3OH 282 0.25


Para el compuesto (25) (Figura 2.25), se observa una banda centrada a 283 nm con una intensidad débil, aunque más intensa en diclorometano.

127


250 300 350 400 450 500 550

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 284 nm

CH3OH, 261

DMF, 305 nm


COMPOUND (25)

10m5 M


CH2Cl2 284 382 17

CH3OH 281 359 133


En el compuesto (25) (Figura 2.26) la mayor intensidad en el espectro de emisión se presenta en metanol. Al pasar a un disolvente menos polar, como cloroformo o a un disolvente polar no prótico como la DMF, se observa una disminución en la intensidad. La emisión se produce en intervalo 300-500 nm.

128

Espectro UV-vis

250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF


COMPOUND (29)


CH2Cl2 285 0.104

378 0.409

CH3OH 282 0.142

372 0.076

DMF 288 0.422


Para el compuesto (29) (Figura 2.27) nuevamente se observan dos bandas centradas a 285 y 378 nm correspondientes a las dos partes de la estructura, sistema diénico y triazina. Puede detectarse un ligero efecto del disolvente, mientras que la mayor absorción se produce en DMF.

129


250 300 350 400 450 500 550

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2, 280 nm

CH2Cl2, 381 nm

CH3OH, 282 nm

CH3OH, 380 nm

DMF, 282 nm

DMF, 388 nm

INFLUENCE SOLVENT AND EXCITATION WAVELENGTHCOMPOUND (29)


CH2Cl2 280

381

CH3OH 282 361 89

380

DMF 282 298 235

388 Figura 2.28. Espectros de fluorescencia del compuesto (29).

Para el compuesto (29) se observa una muy baja intensidad de fluorescencia, especialmente en diclorometano (Figura 2.28).

2.2.3.3 Efectos de la concentración. En algunos casos se observa un aumento de la intensidad de fluorescencia al disminuir la concentración, tanto en la diimina de partida (17), así como en las triazinas y los sistemas diméricos. En otros casos la baja intensidad de fluorescencia no permite determinar si ésta se produce. Tomando como ejemplo a los derivados de la morfolina, en las Figuras 2.29 y 2.30, se muestran los espectros de los compuestos (17) y (23) respectivamente.

130

200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600

0

5

10

15

20

25

COMPOUND (17)

Inte

nsity

Wavelength (nm)

7.8 X 10m7M

3.9 X 10m6M

7.8 X 10m6M

1.2 X 10m5M

2.0 X 10m3M

CH2Cl2327 nm

CONCENTRATION INTENSITY

Fluorescencia-CH2Cl2 excitación = 327 nm

emisión Intensidad Concentración (M)

383 18.95 7.8 X 10-7

381 7.14 3.9 X 10-6

383 7.14 7.8 X 10-6 Figura 2.29. Espectros de fluorescencia del compuesto (17), en diclorometano a diferentes concentraciones.

250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

4.5 X 10m7M

2.2 X 10m6M

4.5 X 10m6M

6.7 X 10m6M

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2277 nm

COMPOUND (23)

CONCENTRATION INTENSITY

Fluorescencia-CH2Cl2 excitación = 277 nm


300 12 4.5 X 10-7

365 108 4.5 X 10-7

380 18 4.5 X 10-5

409 22 6.7 X 10-6 438 18 6.7 X 10-6

Figura 2.30. Espectros de fluorescencia del compuesto (23), en diclorometano a diferentes concentraciones.

131

Como se puede ver en las dos figuras anteriores, y en los datos de las tablas, se ve el mismo efecto: se observa un aumento de la intensidad de fluorescencia al disminuir la concentración. Este efecto puede atribuirse a una agregación en el estado excitado; la agregación debe producirse a las concentraciones más elevadas y como consecuencia se observará un quencheo de la fluorescencia y por tanto una menor intensidad. Al aumentar la dilución debe producirse una menor asociación lo que se traduce en un aumento de la intensidad de florescencia. 2.2.3.4 Discusión y conclusiones

Los espectros de UV-visible de los sistemas diméricos pueden considerarse una suma de los espectros de la dimina (17) y de las triazinas de partida (22)-(25). Por lo que puede considerarse que ambos fragmentos se comportan de manera independiente, no habiendo conjugación entre ellos. La conjugación debe romperse debido a los grupos amino intermedios.

La banda de la diimina sufre un desplazamiento al rojo de 60-70 nm debido a la mayor conjugación con los dos anillos bencénicos.

Consecuentemente, no se observa un efecto notable del sustituyente de la triazina sobre la banda de la diimina y solamente se observa un ligero efecto sobre la banda de la triazina, siendo el desplazamiento batocrómico más notable cuando el sustituyente es un grupo naftilo.

En general todos los derivados de 2-(4-aminofenil)amino-1,3,5-triazina-4,6-bis(sustituidas), presentan una baja fluorescencia. Los únicos derivados que presentan una fluorescencia de intensidad media son los dos que tienen aminas secundarias en las posiciones 4 y 6, compuestos (23) y (25).

De la misma manera los sistemas diméricos presentan una baja intensidad de fluorescencia. Solamente el compuesto (26), que tiene sustituyentes fuertemente electrodonadores en el anillo bencénico, presenta una intensidad de fluorescencia elevada en diclorometano (1009 a una longitud de onda de emisión de 433 nm).

En algunos casos se observa un aumento de la intensidad de fluorescencia al disminuir la concentración, tanto en la diimina de partida (17) como en las triazinas y los sistemas diméricos. En otros casos la baja intensidad de fluorescencia no permite determinar si ésta se produce. Este efecto puede atribuirse a una agregación en el estado excitado; la agregación debe producirse a las concentraciones más elevadas y como consecuencia se observará un quencheo de la fluorescencia y por tanto una menor intensidad. Al aumentar la dilución debe producirse una menor asociación lo que se traduce en un aumento de la intensidad de florescencia.

132

2.2.4 Espectroscopia UV-Visible. Influencia de la temperatura. 2.2.4.1 Objetivos Se realizó un estudio del efecto de la temperatura en los espectros de UV-Visible, para determinar cualitativamente la agregación o autoensamblaje de las bistriazinas sintetizadas. La espectroscopia UV-vis es uno de los métodos más utilizados para la determinación de la agregación así como del mecanismo de agregación, isodésmico o cooperativo. Es posible utilizar la variación del espectro con la concentración, sin embargo se considera más adecuado el estudio de la variación con la temperatura, ya que puede realizarse la adquisición de un amplio número de datos de manera sencilla y por otra parte puede observarse la transición de la especie monomérica a la completamente autoensamblada en un único experimento. Si esto es posible, puede permitir la determinación de los parámetros termodinámicos del autoensamblado.196

2.2.4.2 Resultados y discusión En todos los casos se siguió el mismo procedimiento experimental: Se preparó una disolución de concentración conocida (10-6 M) y se registraron los espectros en diclorometano o cloroformo. Se determinaron los espectros de UV-vis a intervalos de 5 grados en el rango que permitía el punto de ebullición de los disolventes. En el mejor caso entre 263 y 328 K. Una vez alcanzada la temperatura se dejaba estabilizar durante 5 min antes de registrar el espectro. Se registraron los espectros de los productos (26) al (29), obteniéndose resultados similares, por lo que se incluye detalladamente el estudio del compuesto (28). Se utilizó una disolución 1.038 x 10-6 M en CHCl3, que nos permitía un rango de temperaturas desde 263 a 328 K. La elevada polaridad de los compuestos y en consecuencia su baja solubilidad en disolventes apolares, los más adecuados para el estudio de la asociación limitaron notablemente el número de disolventes posibles.

a)

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

- 10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (28)

SOLVENT CHCl3

b)

260 280

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

- 10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (28)

SOLVENT CHCl3

c)

240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

- 10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (28)

SOLVENT CHCl3

d)

350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500

0.02

0.03

0.04

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

- 10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (28)

SOLVENT CHCl3

Figura 2.31 Espectro UV-vis del compuesto (28) a diferentes temperaturas. a) Espectro

escala 230-500 nm, A = 0-1.9. b) Espectro escala 250-280 nm, A = 0-0.3. Punto

isosbéstico c) Espectro escala 240-255 nm, A = 0-1.9 d) Espectro escala 350-500 nm, A=0.02-0.04.

133

De las figuras 2.31c y d se tomaron los datos que se muestran a continuación,

a una = 246 nm y de 400 nm respectivamente (Tabla 2.16).

T (K) Absorbancia

246 nm

(x 108 L mol-1

cm-1)

Absorbancia 400 nm

(x 104 L mol-1

cm-1)

263 1.0 9.44 0.035 3.37

268 1.0 8.96 0.034 3.27

273 1.1 8.86 0.032 3.08

278 1.1 8.76 0.031 2.98

283 1.1 8.67 0.030 2.89

288 1.1 8.48 0.029 2.79

293 1.1 8.09 0.027 2.60

298 1.2 7.89 0.025 2.41

303 1.2 7.61 0.024 2.31

308 1.2 7.61 0.023 2.21

313 1.2 7.61 0.023 2.21

318 1.3 7.51 0.022 2.12

323 1.3 7.51 0.022 2.12

328 1.4 7.42 0.021 2.02 Tabla 2.16. Valores de absorbancia y coeficiente de extinción molar en función de la temperatura para el compuesto (28)

Figura 2.32. Representación de la absorbancia a 246 nm en función de la temperatura (K) (tabla 2.16) para el compuesto (28).

Como se puede ver en la Figura 2.32, el compuesto (28), a bajas temperaturas forma un agregado molecular, el excímero, el cual predomina de 260 a 275 K. Conforme se incrementa la temperatura, se tiene el monómero solvatado, pero no fue posible determinar la temperatura a la cual se detecta exclusivamente el monómero por la limitación del punto de ebullición del disolvente (60 °C).

134

En la figura 2.33 se muestra la representación y del coeficiente de extinción molar en función de la temperatura (Tabla 2.16), donde se observa la excelente correlación lineal entre el coeficiente de extinción molar y la temperatura.

y = 0.3303e0.0041x

R² = 0.981

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

260 270 280 290 300 310 320 330

x

105

L mol

-1 cm

-1

Temperatura (K)

Influencia de la temperatura

Compuesto (28)

Figura 2.33. Representación del coeficiente de extinción molar en función de la temperatura (tabla 1) para el compuesto (28).

En las figuras 2.34 y 2.35 se muestran la representación de la absorbancia y del coeficiente de extinción molar a 400 nm en función de la temperatura (Tabla 2.16).

y = -0.0002x + 0.0935

R² = 0.9667

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

260 270 280 290 300 310 320 330

Abso

rban

cia

Temperatura (K)

Influencia de la temperatura

Compuesto (28) a 400 n

Figura 2.34. Variación de la absorbancia a 400 nm con la temperatura para el compuesto (28).

135

Figura 2.35. Variación del coeficiente de extinción molar a 400 nm con la temperatura para el compuesto (28).

A la longitud de onda de 400 nm, la absorbancia disminuye conforme aumenta la temperatura. Esto está de acuerdo con lo descrito,197 ya que disminuye el excímero y se va incrementado el monómero. A bajas temperaturas está presente el excímero por lo que están presentes más moléculas que absorben (se presenta una mayor absorbancia). Conforme se incrementa la temperatura se disocia el excímero ya que el disolvente solvata a las moléculas del excímero y solo se tiene la molécula del monómero. Así se puede explicar la tendencia en las dos gráficas mostradas en las figuras 2.34 y 2.35, en las que se observa una disminución en la absorbancia o en el coeficiente de extinción molar. En la figura 2.31b se puede apreciar la presencia de un punto isosbéstico. Es decir el punto en que la longitud de onda dos especies químicas tienen el

mismo coeficiente de extinción molar () o en una forma más general, se encuentran linealmente relacionadas. Por el mismo procedimiento se determinaron los puntos isosbésticos de productos (26), (27) y (29) (Tabla 2.17).

Producto Punto isosbéstico

(nm) Absorbancia

(26) 272 0.067

(27) 271 0.166

(28) 264 0.108

(29) 278 0.060 Tabla 2.17 Longitud de onda y absorbancia de los puntos isosbésticos de los compuestos (26)-(29)

De acuerdo con el perfil que se observa en la figura 2.32, si se compara con lo descrito por Meijer, et. al. (Figura 2.37),197 podemos concluir que para el compuesto (28) el mecanismo que sigue la formación de los excímeros es del tipo isodésmico, esto es hay un incremento gradual en el número y longitud de las especies agregadas y se forman a concentraciones altas o por constantes de asociación altas.

136

Figura 2.37 representación de los mecanismos isodésmico y cooperativo de acuerdo a Meijer, et. al.

El mecanismo de autoensamblaje se basa en el mecanismo isodésmico, en el cual la adición de un monómero a la cadena en crecimiento está determinada por una única constante de equilibrio, a diferencia del mecanismo cooperativo en el cual hay un periodo de inducción para llegar a un estado excitado y la adición de monómero a la cadena está gobernada por diferentes constantes de equilibrio. Los dos mecanismos se muestran a continuación, Esquema 2.13.

Esquema 2.13. Mecanismos isodésmico y cooperativo

Los agregados donde se produce una absorción que se desplaza a mayor longitud de onda (batocrómicamente) con respecto a la absorción del monómero y presentan un desplazamiento de Stokes pequeño, una fluorescencia resonante cercana con una banda estrecha, se denominan agregados Scheibe o agregados-J (J de Jelley, de acuerdo con el nombre de su inventor.198 Por el contrario, los agregados cuyas bandas de absorción se desplazan a menores longitudes de onda (desplazamiento hipsocrómico) con respecto a la banda del monómero, se denominan agregados-H (H de hipsocrómico) y en la mayoría de los casos no presentan fluorescencia o la presentan con muy baja intensidad.

137

Se ha descrito que en el caso de otros derivados de cianinas, se forman agregados-J, en concreto esto se ha descrito para PICs (pseudoisocianinas) con la estructura que se muestra en la Figura 2.38, en donde el circulo representa a un anillo heterocíclico.47

Figura 2.38. Estructura general de las pseudoisocianinas de acuerdo a Wurthner, et. al.

En nuestro caso se observa un aumento de la banda a 400 nm y una disminución de la banda a 246 nm al aumentar la agregación, a baja temperatura. Por tanto se produce un desplazamiento batocrómico con la agregación, lo que indicaría la presencia de un agregado tipo J. Existe cierta controversia sobre el tipo de modelo de agregados. Se han propuesto tres posibilidades, una disposición tipo muro de ladrillos, una disposición tipo escalera de mano o una disposición tipo escalera (Figura 2.39).

Figura 2.39 Representación esquemática de los modelos de agregados tipo-J de moléculas PICs a) Disposición tipo muro de ladrillos, d) Disposición tipo escalera de mano, c) Disposición tipo escalera.

El modelo de agregado tipo de muro de ladrillos fue propuesto por Würthner, et. al., y es el más ampliamente aceptado para los agregados-J de tipo PIC en los que existe un empaquetamiento compacto así como un alineamiento en paralelo de los monómeros a lo largo del eje de agregación.24 Cada rectángulo representa el contorno de un catión PIC. Se ha propuesto la formación reversible de un dímero, y después ocurre la elongación de la cadena.47 Al realizar el estudio para determinar la influencia de la temperatura en la absorbancia, se ha comprobado su utilidad y que se puede obtener información en un lapso de tiempo corto y con una única muestra, frente a otras técnicas más laboriosas, (como estudiar el efecto de la concentración en la absorbancia que requiere la preparación de varias muestras).197

138

2.2.4.3 Conclusiones.

En general todos los derivados de 2-(4-aminofenil)amino-1,3,5-triazina-4,6-bis(sustituidas), presentan una baja fluorescencia. Los únicos derivados que presentan una fluorescencia de intensidad media son los dos que tienen aminas secundarias en las posiciones 4 y 6, compuestos (23) y (25).

De la misma manera las bistriazinas unidas por un espaciador diénico, compuestos (26) a (29), presentan una baja intensidad de fluorescencia. Solamente el compuesto (26), que tiene sustituyentes fuertemente electrodonadores en el anillo bencénico, presenta una intensidad de fluorescencia elevada en diclorometano.

El compuesto (28) forma excímeros, esto es agregados moleculares (el término “excimer” proviene de excited state dimer).199 El mecanismo que sigue la formación de estos es del tipo isodésmico, esto es hay un incremento gradual en el número y longitud de las especies agregadas y se forman a bajas temperaturas (o a concentraciones altas, o por constantes de asociación altas). De acuerdo a lo descrito,198 los agregados deben ser de tipo J. Es de esperar que para el resto de bistriazinas unidas por un espaciador diénico se observe el mismo comportamiento.

2.2.5 Cálculos teóricos 2.2.5.1 Objetivos Se ha realizado un estudio conformacional de los compuestos sintetizados en el capítulo 3 con el objetivo de determinar el o los isómeros mayoritarios y comparar los resultados obtenidos teóricamente con los obtenidos por RMN. 2.2.5.2 Resultados y discusión En este capítulo se muestran los resultados obtenidos del estudio computacional, el cual se llevó a cabo en el cluster del servicio de supercomputación de la UCLM, empleando el programa Gaussian 09.200 El método elegido ha sido B3LYP/6-31G(d,p)201 y empleando la teoría de funcionales de la densidad (DFT),202 los cuales han demostrado ser adecuados para el estudio de compuestos orgánicos y reacciones orgánicas.

Figura 2.40. Estructura general compuestos sintetizados.

139

Para abordar el estudio, cabe destacar que los compuestos sintetizados (Figura 2.40) presentan dos puntos de isomería: por rotación (conformacional) y por configuración del doble enlace del espaciador. a) Rotación Es conocido que las aminotriazinas presentan rotación restringida en el enlace amino-triazina. Este hecho puede explicarse ya que las aminotriazinas se comportan como amidinas, por lo que el enlace amino-triazina tiene un carácter parcialmente doble (Esquema 2.14).203

N

N

N

NH R

NH

R

NH

R

N

N

N

NH R

NH

R

NH

R

N

N

N

NR H

NH

R

NH

R

Esquema 2.14. Isómeros por rotación de 2,4,6-triamino-1,3,5-triazinas.

Los diferentes rotámeros que se pueden encontrar en equilibrio se muestran en la figura 2.41.

N

NN

NR2 H

NH

R1

NH

R1

N

NN

NR2 H

NR1

H

NR1

H

N

NN

NH R2

NR1

H

NH

R1

N

NN

NR2 H

NR1

H

NH

R1

Figura 2.41. Isómeros por rotación de 2,4,6-triamino-1,3,5-triazinas observados por 1H-

RMN, de acuerdo a de la Hoz, et. al.203

Esto da lugar a un ensanchamiento de las señales que se observan por 1H-RMN o bien una señal doble, pero al calentar se observa que esa señal ancha o doble se convierte en una señal simple (véase subcapítulo 2.2.2.5).22, 203,204,205

b) Configuración Dentro de la estructura del espaciador, la cianina, se pueden establecer diferentes configuraciones, debido a que presenta un sistema dinámico que permite diferentes isómeros configuracionales (Esquema 2.17).37

140

N NRR H

RN

HN

R

RN N

R

HN

NR

R

H

N

NR

R

H

ZE

Configuración formaherradura

Configuración formaW

Esquema 2.17. Equilibrio entre la configuración en forma de W y la configuración en forma de herradura.

Estudio conformacional de 1,5-difenil-1,5-diaza-1,3-pentadieno Teniendo en cuenta las posibilidades de rotación restringida y de cambios de configuración, es posible la formación de hasta 72 rotámeros e isómeros configuracionales lo que hace que el estudio computacional sea complejo. Por ello se optó por realizar una optimización por partes que simplifique todo el procedimiento. Las estructuras recogidas en la figura 2.42, presentan en común el núcleo central de 1,5-difenil-1,5-diaza-1,3-pentadieno. Por tanto, se inició el estudio teórico sobre este sistema básico, para ir incorporando posteriormente, modificaciones estructurales de forma sistemática. Los distintos isómeros modelizados teniendo en cuenta las dos posibles configuraciones y sus posibles rotámeros, se encuentran recogidos en la figura 2.42.

Figura 2.42. Diferentes isómeros analizados de 1,5-difenil-1,5-diaza-2,3-pentadieno.

El estudio computacional se llevó a cabo a nivel B3LYP/6-31G* tanto en fase gaseosa como en disolución, empleando CHCl3 y DMSO como disolventes.

141

Gaussian implementa diversos modelos de solvatación SCRF (Self-Consistent Reaction Field). Estos modelos, denominados continuos, consideran al disolvente como un medio continuo, dieléctrico y polarizable, dentro del cual se incluye el soluto en una cavidad. Generalmente, el continuo se caracteriza por

la constante dieléctrica () del disolvente al que representa. Los métodos disponibles difieren en como definen la cavidad y el campo de reacción. Uno de ellos es el PCM (Polarizable Continuum Model), que es el modelo de polarización continua. Los resultados obtenidos se encuentran recogidos en la tabla 2.18.

Energía (Kcal/mol)

Isómero Fase gaseosa Disolución (CHCl3) Disolución (DMSO)

1 5.60 3.39 2.44

2 8.31 5.94 4.91

3 6.75 5.17 4.49

4 9.30 7.66 7.00

5 7.90 6.03 5.14

6 0.00 0.00 0.00

7 8.27 5.99 5.07 Tabla 2.18. Valores de energía de los diferentes isómeros en fase gaseosa y en disolución (CHCl3 y DMSO), referenciados al isómero más estable.

Los resultados recogidos en la tabla 2.18, indican que el isómero más estable es el isómero 6, tanto en fase gas como en disolución, debido a la formación de un quelato interno de 6 eslabones generado por la existencia de un puente de hidrógeno intramolecular (distancia N-H = 1.93 Å), Figura 2.43. El segundo isómero más estable es el 1 que corresponde a una configuración en forma de W. La diferencia energética entre ambos es de 2,43 Kcal/mol.

Figura 2.43. Estructura optimizada a nivel B3LYP/6-31G* del isómero 6.

Una vez estudiado el núcleo central de la estructura se procedió a modelizar las correspondientes sales de hexafluorofosfato. Este estudio se realizó también en fase gaseosa y en disolución empleando CHCl3 y DMSO como disolventes. Los resultados obtenidos se encuentran recogidos en la tabla 2.19.

142

Energía (Kcal/mol)

Hexafluorofosfato Fase gaseosa Disolución

(CHCl3) Disolución

(DMSO)

1 2.05 0.00 0.00

2 6.73 3.39 3.16

3 0.53 0.50 1,24

4 0.99 2.40 3.42

5 0.53 0.50 1.24

6 0.00 2.60 4.35

7 2.61 0.59 0.57 Tabla 2.19. Valores de energía de las sales de hexafluorofosfato de los diferentes isómeros en fase gaseosa y en disolución (CHCl3 y DMSO), referenciados al isómero más estable.

Estos resultados indican que en fase gaseosa el isómero 6 en forma de herradura es el más estable, si bien, cabe destacar, que las diferencias energéticas entre los diversos isómeros son menores que en el caso del compuesto neutro. Nuevamente, la formación de una especie de “quelato interno” de seis eslabones estabiliza la estructura. Por el contrario, al considerar el disolvente, el isómero más estable pasa a ser el Isómero 1, con configuración W, ya que el disolvente compite con el contranión en la formación del quelato, (Figura 2.44). Cabe destacar que el contranión (PF6

-) se coloca cerca de los protones del sistema diénico, formándose puentes de hidrógeno entre el átomo de F y los N-H (Figura 2.44).

N

H

N

H

H

H

F

PF5

H

Figura 2.44. Estructura más estable sal de hexafluorofosfato del isómero 1, en DMSO

Del mismo modo, se estudiaron los correspondientes percloratos. Los resultados obtenidos se recogen en la tabla 2.20. Estos indican nuevamente que en fase gaseosa el isómero 6 es el más estable con una estructura de herradura, mientras que en disolución el isómero 1 es el más estable con una estructura en W.

143

Energía (Kcal/mol)

Perclorato Fase gaseosa Disolución (CHCl3) Disolución (DMSO)

1 6.03 0.71 0.00

2 9.15 3.75 3.09

3 1.67 0.00 0.69

4 2.17 1.95 3.46

5 1.67 0.00 0.69

6 0.00 1.32 3.26

7 4.19 0.31 0.07 Tabla 2.20. Valores de energía de las sales de perclorato de los diferentes isómeros en fase gaseosa y en disolución (CHCl3 y DMSO), referenciados al isómero más estable.

Nuevamente, la posición más favorable del contraanión es cerca de los protones enamínicos (Figura 2.45).

N

H

N

H

H

H

H

O

ClOO

O

Figura 2.45. Estructura más estable sal de perclorato del isómero 1, en DMSO.

El siguiente factor estructural que se estudió fue la sustitución de un átomo de H por uno de Cl en la cadena del dieno (espaciador), ya que experimentalmente se obtuvieron compuestos con esa estructura. Se optimizaron los compuestos neutros y los correspondientes hexafluorofosfatos y percloratos. Los resultados obtenidos indican que la introducción de un átomo de cloro no produce cambios apreciables. El isómero más estable en fase gas sigue siendo el de herradura, y en disolución la W. La única diferencia estructural la encontramos en el hexafluorofosfato. En este caso el anión PF6

- ocupa ahora una posición distinta a la estructura sin cloro. La proximidad entre dos átomos muy electronegativos como el Cl y el P hace que la posición más estable del PF6

- sea en la cara contraria al Cl, al igual que ocurre con el ClO4- (Figura 2.46).

N

H

N

H

Cl

H

F

PF5

H

Figura 2.46. Estructura más estable del hexafluorofosfato del isómero 1 con Cl en la cadena, en DMSO

144

Estudio conformacional de 1,5-(N,N’-bis-4-[(4,6-bis(N,N’-morfolino)-1,3,5-triazin-2-il)-aminofenil])-3-cloro-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (27) Una vez optimizada la estructura central, se procedió al estudio conformacional de los compuestos recogidos en la figura 2.40. Con el fin de simplificar este estudio, se eligió como modelo el compuesto (27) (Figura 2.40). Al presentar dos morfolinas en cada anillo de triazina, la rotación de los enlaces aminotriazina no conduce a isómeros diferentes, lo cual simplifica notablemente el número de isómeros y en consecuencia el cálculo computacional. Cabe destacar que de este compuesto se ha hecho un estudio de 1H-RMN, que se encuentra recogido en el capítulo 2.2.2.5. Siguiendo el mismo método de estudio se optimizaron inicialmente las estructuras sin los anillos de morfolina para simplificar el coste computacional. Basándonos en los resultados anteriores, se analizó solo la configuración en W, por ser la más estable en disolución, y se consideraron 4 posibles

disposiciones de los anillos de triazina: (,), (,), (,) y (,) (Tabla 2.21).

Isómero Energía (Kcal/mol)

(β,β) 0.03

(α,α) 0.00

(β,α) 0.00

(α,β) 0.00 Tabla 2.21. Valores de energía de los cuatro isómeros optimizados en disolución (DMSO), referenciados al más estable.

De esta optimización se obtuvieron solo dos estructuras, que se diferencian entre sí solo por la rotación de un enlace N-H. Por esta razón las diferencias de energía son de tan solo 0.03 Kcal/mol (Figura 2.47).

Figura 2.47. Rotámeros obtenidos durante la optimización con el anillo de triazina. Valores energéticos (Kcal/mol) con referencia al más estable.

145

En ambos casos se observa la formación de cuatro puentes de hidrógeno, dos entre el átomo de cloro y los hidrógenos de los N-H y otros dos entre el átomo de F del grupo PF6

- y los H de los enlaces C-H (Figura 2.48). Finalmente se introdujeron las unidades de morfolina, obteniéndose los dos rotámeros

recogidos en la figura 2.48, siendo el más estable el rotámero , en disolución (DMSO). La estructura obtenida podría justificar los datos obtenidos por 1H-RMN, donde a priori se observan dos isómeros, aunque un análisis detallado de los espectros mostró que debía tratarse de un único isómero donde las dos partes de la molécula no son equivalentes, probablemente

debido a la formación del enlace Cl|||||| H (véase subcapítulo 2.2.2.5).

a)

b)

Figura 2.48. Isómeros del compuesto (27). Valores energéticos (Kcal/mol) y distancias de los puentes de hidrógeno (Å). (a) Formulas ChemDraw. (b) Estructuras GaussView.

146

2.2.5.3 Conclusiones En el presente capítulo se ha realizado un estudio computacional “ab initio” a nivel B3LYP/6-31G* tanto en fase gaseosa como en disolución, con el fin de determinar los isómeros más estables de algunos compuestos sintetizados en la presente memoria. Los aspectos más destacados son los siguientes:

Se ha mostrado que la optimización por partes es el método más adecuado para realizar el estudio conformacional y configuracional de las bistriazinas sintetizadas.

En los compuestos neutros estudiados se ha determinado que la configuración más estable es la de herradura tanto en fase gaseosa como en disolución. Por el contrario, en los hexafluorofosfatos o percloratos, la configuración más estable es la de W en disolución, aunque en fase gaseosa siga siendo la configuración de herradura la más estable.

Se ha demostrado que la formación de puentes de hidrógeno intramoleculares juega un papel importantísimo en la estabilidad de estas estructuras. En las sales, los aniones perclorato y hexafluorofosfato se encuentran formando puentes de hidrógeno con los protones del sistema diénico.

En los derivados clorados, la formación de puentes de hidrógeno con los grupos N-H contribuye a la estabilización de la estructura.

Estos dos aspectos han permitido comprender y corroborar algunos datos obtenidos por 1H-RMN, especialmente los datos de resonancia dinámica, el desdoblamiento de las señales en los derivados clorados.

147

CAPÌTULO 2 2.3. PARTE EXPERIMENTAL

148

2.3.1 EQUIPOS UTILIZADOS. Los reactivos comerciales y disolventes se utilizaron sin purificación previa. En el caso de las reacciones que se llevaron a cabo con calentamiento con microondas, estas se llevaron a cabo en un reactor microondas CEM Discover monomodo de haz focalizado con medida y control de la temperatura mediante un lector infrarrojo (Figura 2.3.1). Los distintos parámetros como potencia, temperatura y tiempo se pueden monitorizar, al igual que modificar durante el transcurso de la reacción.

Figura 2.3.1. Reactor microondas CEM Discover monomodo de haz focalizado.

Para las reacciones a presión atmosférica se utilizó un tubo con junta esmerilada, diseñado por nuestro grupo de investigación, al cual se le puede adaptar un refrigerante (matraz de microondas recipiente abierto), figura 2.3.2.

Figura 2.3.2. Matraz de microondas recipiente abierto, diseñado por nuestro grupo donde se han llevado a cabo las reacciones bajo irradiación microondas

Cuando las reacciones requirieron de presión, se utilizó un matraz de microondas recipiente cerrado, disponibles comercialmente, a los cuales se le adapta el tapón que permite monitorizar la presión que se genera dentro del propio tubo, figura 2.3.3.

149

Figura 2.3.3. Matraz de microondas recipiente cerrado, para llevar a cabo las reacciones a presión controlada, bajo irradiación microondas

Para la cromatografía en capa fina se utilizaron cromatofolios Al de sílice gel 60 F254 Merck. Los cromatogramas se visualizaron con lámparas ultravioleta de longitudes de onda de 254 y 363 nm. Los espectros de resonancia magnética nuclear de protón (1H-RMN), de carbono-13 (13C-RMN) se registraron en espectrómetros Varian Inova 500 operando a 499,980 MHz para protón y a 125,423 MHz para carbono-13 y Varian Inova 400 operando a 399,778 MHz para protón y 100,535 MHz para carbono-13. Los valores de desplazamiento químico (δ) se expresan en partes por millón (ppm) y las constantes de acoplamiento (J) en Hertzios (Hz). Los espectros se realizaron en dimetilsulfóxido deuterado tomando como referencia la señal del disolvente sin deuterar (δ = 2,50 ppm). La asignación de las señales de 1H y 13C, se consiguió por experimentos de correlación homo y heteronuclear (gCOSY y gHSQC) y 1D- y 2D-NOESY, utilizando las secuencias de pulsos estándar de Varian. Para la asignación de sistemas de espines complejos se realizaron simulaciones de espectros utilizando el software MestReNova. (Ref: MestReNova versión 8.1, Mestrelab Research S.L.). Los espectros de infrarrojo se realizaron en un espectrofotómetro de infrarrojos de transformada de Fourier FT-IR Simadzu IR Prestige-21 que incorpora un ATR (reflectancia total atenuada) con un objetivo de ZnSe. En cada caso se indican las bandas más características para cada compuesto. Las medidas se hicieron con las muestras en estado sólido. Los puntos de fusión se determinaron en tubo capilar utilizando un aparato de punto de fusión marca Büchi modelo M-565 y están corregidos. Cada determinación se hizo por triplicado. Los espectros de masas se realizaron en dos equipos: un espectrómetro de masas Bruker Autoflex II MALDI TOF/TOF. El otro equipo fue en un espectrómetro de Masas, LECO Modelo Pegasus 4D con analizador másico: TOF (Tiempo de Vuelo). ID-IE con sonda para introducción directa y velocidad

de calentamiento: 100°C/min. Los experimentos de UV-visible se realizaron utilizando un espectrofotómetro Varian Cary modelo 5000 UV-Vis-NIR, provisto con control de temperatura (-10

a 100 C). Los espectros de fluorescencia fueron obtenidos empleando un espectrofluorímetro Jasco FP-750. Tanto en las medidas de absorción UV-visible como en las medidas de fluorescencia en disolución se emplearon cubetas estándares de cuarzo de un centímetro de anchura. Los espectros se realizaron usando los disolventes apropiados de grado espectroscópico. Los disolventes así como la concentración de las disoluciones y las temperaturas de registro se indican en los subcapítulos 2.2.3, 2.2.4, 3.2.3 y 3.2.5 La determinación del rendimiento cuántico de los productos finales, se llevó a cabo en un equipo Uvikon-XS espectrofluorímetro. El detector posee dos anchos de rejilla de detección: 2 y 5 nm.

150

2.3.2 Síntesis de bistriazinas 2.3.2.1 Obtención de 6-aminotriazinas-2,4-disustituídas 2-Amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina (2). Se llevó a cabo de acuerdo al procedimiento descrito por Chauhan y Giri.167 La 2,4,6-tricloro-1,3,5-triazina (2.5 g, 13.5 mmol) se disolvió en acetona (20 mL) y la mezcla se colocó dentro de un baño de agua-hielo (20 mL) para formar una suspensión muy fina. A continuación se adicionó lentamente, gota a gota, una solución de hidróxido de amonio (30 mL, 1N, 30 mmol) a una velocidad tal que permita mantener la temperatura de la mezcla de reacción entre 0 y 5 °C. Una vez que se termina la adición se mantiene la agitación por 30 min más y posteriormente se retira el baño de hielo y se deja agitando por otros 30 min a temperatura ambiente. El precipitado se aísla por filtración a vacío, se lava con agua (4 x 25 mL) y se seca a vacío para obtener un sólido blanco, 1.56 g (70%), P.f. 223-225 °C (sin recristalizar) (222-225 °C).167 1H-RMN: (ppm) (DMSO-d6): 8.55 (s). 6-Amino-2,4-bis(fenilamino)-1,3,5-triazina (3). El procedimiento empleado y que se aplicó para todos los derivados, consistió en utilizar un reactor de microondas. Dentro de un matraz de microondas recipiente abierto, provisto de un agitador magnético, se colocaron 0.081 g (0.49 mmol) de 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina y 0.2286 g (0.223 mL, 2.45 mmol) de anilina. La reacción se llevó a cabo bajo las siguientes condiciones: 100 °C, 10 min y una potencia de 100 W. Al acabar el tiempo de reacción, a la mezcla de reacción se le adicionó agua (5 mL). Se sonicó durante 15 min a temperatura ambiente. El producto se aisló por filtración al vacío y se lavó con agua destilada (3 x 10 mL cada uno). El producto se secó a vacío (10 mm de Hg) a 35 °C por 10 horas (en presencia de pentóxido de fósforo anhidro). Se obtuvieron 0.120 g (88 %), P.f. 182-184 °C (sin recristalizar), con descomposición (214-216 °C).168

IR ( , cm-1) 3743, 3015, 2960, 1645,754, 700

1H-RMN (ppm) (500 MHz, DMSO-d6):

6.56, s, 2H NH2

6.95, t, 2H, J = 7.3 Hz H4’

7.24, t, 4H, J = 7.7 Hz H3’,5’

7.80, d, 4H, J = 7.7 Hz H2’,6’

9.03, s, 2H NH 13C-RMN (ppm) (100 MHz, DMSO-d6):

119.89 C2’, 6’

121.51 C4’

128.25 C3’, 5’

140.30 C1’

164.43 C2, 4

166.81 C6

151

6-Amino-2,4-bis(4-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (4) Se siguió el procedimiento general. Las cantidades de los reactivos fueron 0.208 g (1.26 mmol) de 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina, 0.758 g (6.154 mmol) de 4-metoxianilina. Las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo la reacción fueron: 100 °C, 30 min.,150 W. Se obtuvieron 0.397 g (93 %). P.f. 176-178.5 °C (sin recristalizar) con descomposición (202-203 °C).205

IR ( , cm-1) 3720, 3440, 3001, 2968, 2850, 1666, 1366, 818


3.71, s, 3H OCH3

6.39, s ancho, 2H NH2

6.82, d, 4H, J = 8.8 Hz H3’, 5’

7.62, d ancho, 4H, Japarente = 7.4 Hz

H2’, 6’

8.78, s ancho, 2H NH 13C-RMN (ppm) (115 MHz, DMSO-d6):

55.13 OCH3

113.45 C3’, 5’

121.66 C2’, 6’

133.40 C1’

154.28 C4’

164.40 C2, 4

166.79 C6

6-amino-2,4-bis(4-nitrofenilamino)-1,3,5-triazina (5). Se siguió el procedimiento general, pero empleando diisopropiletilamina (DIPEA) como base. Las cantidades de los reactivos fueron 0.082 g (0.497 mmol) de 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina, 0.2746 g (1.98 mmol) de 4-nitroanilina, 0.3132 g (0.42 mL, 2.423 mmol) de DIPEA. Las condiciones bajo las cuales procedió la reacción fueron: 150 °C, 30 min., 100 W. Se obtuvieron 0.172 g (94 %). P.f. 173.5-175.7 °C (sin recristalizar) con descomposición.

IR ( , cm-1) 3743, 3440, 3015, 2968, 1750, 1364, 1354, 843



8.09, d, 4H, J = 8.7 Hz H2’, 6’

8.18, d, 4H, J = 8.7 Hz, H3’, 5’

10.12, s. a., 2H NH

152

13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

119.13 C2’, 6’

124.64 C3’, 5’

141.01 C4’

146.58 C1’

163.61 C2, 4

165.84 C6

6-Amino-2,4-bis(piperidino)-1,3,5-triazina (6). Se siguió el procedimiento general descrito, pero utilizando DIPEA. Las cantidades de los reactivos fueron 0.171 g (1.036 mmol) de 2-amino-4,6-biscloro-1,3,5-triazina, 0.2229 g (0.26 mL, 2.6189 mmol) de piperidina, 0.560 g (0.760 mL, 4.33 mmol) de DIPEA. Las condiciones bajo las cuales procedió la reacción fueron: 100 °C, 60 min., 100 W. Se obtuvieron 0.223 g (82 %). P.f. 167.8-169.8 °C (sin recristalizar) con descomposición.

IR ( , cm-1) 3314, 2963, 2857


1.4, m, 8 H H3’, 5’

1.6, m, 4 H H4’

3.5, t, 8 H, J = 5.5 Hz H2’, 6’

6.0, s ancho, 2H NH2 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

24.42 C4’

25,36 C3’, 5’

43.28 C2’, 6’

164.77 C2, 4

166.99 C6

6-Amino-2,4-bis(morfolino)-1,3,5-triazina (7). Se siguió el procedimiento general, empleando DIPEA. Las cantidades de los reactivos fueron 0.162 g (0.98 mmol) de 2-amino-4,6-dicloro-1,3,5-triazina, 0.162 g (0.98 mmol) de morfolina, 0.5582 g (0.76 mL, 4,3 mmol) de DIPEA. Las condiciones bajo las cuales procedió la reacción fueron: 120 °C, 90 min., 100 W. Se obtuvieron 0.070 g (27 %). P.f. 161.5-164.5 (sin recristalizar) con descomposición (170–172 °C).169

153

IR ( , cm-1) 3445, 2957, 2855, 1746, 1109, 826


3.57, m, , 8 H, C2’, 3’, 5’, 6’

3.59, m, , 8 H

6.31, s ancho, 2H NH2 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

45.30 C2’, 6’

66.01 C3’, 5’

165.00 C2, 4

169.89 C6

2.3.2.2 1-Metilhidrazina-1-(1,3,5-triazin-2-il)-4,6-bisamino-4,6-bis(sustituídas) 2-Cloro-4,6-bis(fenilamino)-1,3,5-triazina (8). En un matraz de fondo redondo de 250 mL se adicionaron 1.84 g (9.97 mmol) de cloruro de cianurilo y 30 mL de ácido acético glacial y sobre éste se adaptó un embudo de adición con presión compensada. En un vaso de precipitados de 250 mL provisto de un agitador magnético se adicionaron 2.27 mL (2.323 g, 24.94 mmol) de anilina, 2.566 g de acetato de sodio, 10 mL de ácido acético y 10 mL de agua. Esta mezcla de reacción se dejó agitando por 10 min, al término de los cuales se introdujo en el embudo de adición con presión compensada. Bajo agitación magnética vigorosa se agregó lentamente y de forma continua la disolución de la anilina sobre la disolución del cloruro de cianurilo. Al término de la adición, la mezcla de reacción se dejó bajo agitación

magnética vigorosa por 12 horas a temperatura ambiente (17 C). Al finalizar el tiempo de reacción, el producto se aisló por medio de una filtración al vacío. Sobre el mismo embudo se hicieron 3 lavados sucesivos con agua caliente, hasta que el pH de los lavados fue de 6 (se requirieron aproximadamente 400 mL). El producto se secó a vacío en un desecador en presencia de pentóxido

de fósforo durante 24 horas. Se obtuvieron 2.750 g (93 %). P.f. 197.8-198.6 C

(197-198 C).172

IR ( , cm-1) 3271, 2997, 1748, 1614, 1030, 802

1H-RMN (ppm) 80ºC (400 MHz, DMSO-d6):

7.09, t, J = 7.4 Hz, 2H H4’

7.30, t, J = 7.4 Hz, 4H H3’, 5’

7.68, d, J = 7.4 Hz, 4H H2’, 6’

9.95, s ancho, 2H N-H 13C-RMN (ppm) 80ºC (100 MHz, DMSO-d6):

120.86 C2’, 6’

123.14 C4’

128.04 C3’, 5’

138.06 C1’

163.70 C4,6

167.98 C2

154

2-Cloro-4,6-bis(4’-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (9). Se siguió el procedimiento descrito para el compuesto (8). Se utilizaron 1.5 g (8.13 mmol) de cloruro de cianurilo disueltos en 24.5 mL de ácido acético. Se disolvieron 2.494 g (20.3 mmol) de la 4-metoxianilina (anisidina) y 1.977 g de acetato de sodio en 9.6 mL de ´ácido acético y 9.6 mL de agua. Se procedió de la misma manera, para obtener 2.667 g del producto (9) (92 %). P.f. 198.9-

199.9 C (sin recristalizar) (198-199 C).172

IR ( , cm-1) 3360, 2907, 2833, 1744, 1612, 1260, 988, 827


3.74, s, 3H O-CH3

6.90, d ancho, 2H H3’, 5’

7.50, d, J = 8.8 Hz, 2H H2’, 6’

10.06, s ancho, 2H N-H 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

55.32 O-CH3

114.57 C3’, 5’

123.08 C2’, 6’

130.16 C1’

156.76 C4’

164.29 C2, 4,6

2-Cloro-4,6-bis(4’-nitrofenilamino)-1,3,5-triazina (10). Se siguió el procedimiento descrito para el compuesto (8), pero sin utilizar acetato de sodio de acuerdo a la técnica descrita.172 Se utilizaron 1.860 g (10.1 mmol) de cloruro de cianurilo disueltos en 30 mL de ácido acético. Aparte se formó una suspensión de 3.461 g (25.1 mmol) de la 4-nitroanilina en 30 mL de ácido acético. La adición de la suspensión de 4-nitroanilina se llevó a cabo a temperatura ambiente. La mezcla de reacción se dejó bajo agitación magnética vigorosa por 24 horas a temperatura ambiente. La mezcla de reacción se separó por filtración al vacío. El precipitado se lavó con agua caliente hasta que el pH del filtrado fuera de 6. El producto crudo se dejó secando en el propio

embudo y después en un desecador a 10 mm de Hg, 35 C por 24 horas. Por RMN-1H se observó que el producto crudo consistía en una mezcla de producto mono y disustituído. Se trató de purificar el producto disustituído, pero al final no se logró obtener el producto (10).

155

2-Cloro-4,6-bis(piperidino)-1,3,5-triazina (11). En un matraz de fondo redondo de 250 mL con junta esmerilada, provisto de un agitador magnético y al cual se le adapta un embudo con presión compensada de 250 mL, se adicionaron 2.169 g (11.8 mmol) de cloruro de cianurilo y 15 mL de acetona.174,175 El matraz se colocó dentro un baño de hielo. En un vaso de precipitados de 250 mL se adicionaron 2.194 g (2.6 mL, 25.8 mmol) de piperidina, 4.5 mL de DIPEA y 15 mL de disolución de piperidina en acetona que se adicionó lentamente a la disolución del cloruro de cianurilo, mediante un embudo de adición con presión compensada, manteniendo la temperatura de la

mezcla de reacción entre 4-5 C. Una vez que se terminó la adición, se continuó la agitación por 3 horas más manteniendo la mezcla de reacción dentro del baño de hielo. Terminado el tiempo de agitación en frio, se retiró el baño de hielo y la mezcla de reacción se dejó agitando a temperatura ambiente por 24 horas. Terminado el tiempo de agitación, la mezcla de reacción se filtró. Se lavó el precipitado con más acetona (3 x 10 mL) y se eliminó el disolvente del filtrado por evaporación a vacío. Se obtuvo un aceite que se disolvió en etanol caliente (100 mL) y se indujo cristalización. El producto obtenido se aisló por medio de una filtración al vacío. Se obtuvieron 1.79 g (55 %). P.f. 113.8-

116.9 C.

IR ( , cm-1) 2938, 1750, 1302, 793


1.51, m, 8H H3’, 5’

1.62, m, 4H H4’

3.67, t, J = 5.9 Hz, 8H H2’, 6’ 13C-RMN (ppm) (100.535 MHz, DMSO-d6):

23.99 C3’, 5’

25.31 C4’

43.87 C2’, 6’

163.47 C4,6

168.71 C2

2-Cloro-4,6-bis(morfolino)-1,3,5-triazina (12). Se siguió el procedimiento utilizado para el compuesto (11). Se emplearon 2.160 g (11.7 mmol) de cloruro de cianurilo disueltos en 20 mL de acetona. La disolución de la morfolina se preparó con 2.245 g (2.3 mL, 25.8 mmol) de morfolina, 4.6 mL de DIPEA y 15 mL de acetona. A través del mismo procedimiento se obtuvieron 2.360 g (71 %) de producto puro. P.f. 157.6-159.4

C.

156

IR ( , cm-1) 3024, 2943, 1738, 1217, 791


3.61, s ancha, 8H H3’,5’

3.69, s ancha, 8H H2’,6’ 13C-RMN (ppm) (100.535 MHz, DMSO-d6):

43.50 C2’,6’

66.00 C3’,5’

163.81 C4,6

168.74 C2

1-(4,6-bis(fenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (13). En un matraz de microondas provisto de un agitador magnético, se adicionaron 0.151 g (0.51 mmol) de la 2-cloro-4,6-bis(fenilamino)-1,3,5-triazina (9), 0.116 g (0.141 mL, 2.52 mmol) de una solución de la metilhidrazina. Se encapsula y se

irradia en las siguientes condiciones: 120 C, 100 W, 20 psi, por 60’. Al finalizar el tiempo de reacción, se adicionaron 5 mL de agua destilada. La mezcla de reacción se sonicó por 15 min. El producto sólido se aisló por filtración a vacío y se lavó con más agua destilada (3 x 10 mL). En el mismo matraz se hicieron lavados sucesivos con los siguientes disolventes: dietil éter, acetato de etilo y etanol (10 mL de cada uno de los disolventes y en el orden indicado). Se

obtuvieron 0.154 g del producto (13) (99 %). P.f. 172-173.6 C (sin recristalizar).

N

N

N

N

N

H

N

H

NH2H3C

1

2

3

45

6 1' 2'3'

4'5'

6'

IR ( , cm-1) 3392, 2980, 1738, 1622, 754, 687


3.24, s, 3H N-CH3

4.94, s, 2H NH2

6.95, t, J = 7.3 Hz, 2H H4’

7,26, t, J = 7.3, 4H H3’, 5’

7.78, d ancho, J = 7.3, 4H H2’, 6’


39.00 N-CH3

119.90 C2’,6’

121.66 C4’

128.37 C3’,5’

140.25 C1’

163.79 C4,6

165.50 C2

1-(4,6-bis(4-metoxifenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (14). Se siguió el procedimiento utilizado para el compuesto (13). Se utilizaron 0.151

g (0.422 mmol) del compuesto (10), 0.0966 g (114 L, 2.1 mmol) de la solución

de metilhidrazina. Las condiciones empleadas fueron 120 C, 100 W, 20 psi,

por 30 min. Se obtuvieron 0.111 g (72 %). P.f. 175–177.6 C (sin recristalizar).

157

N

N

N

N

N

H

N

H

OCH3H3CO

NH2H3C

1 3

2

45

6 1'2'

3'

4'

5'

6'

IR ( , cm-1) 3364, 3001, 2943, 1738, 1622, 1280, 1034, 826, 797


3.21, s, 3H N-CH3

3.72, s, 3H O-CH3


6.80, d, J = 8.8 Hz, 4H H3’, 5’

7.64, s ancha, 4H H2’, 6’


37.38 N-CH3

55.14 O-CH3

113.53 C3’, 5’

121.48 C2’, 6’

133.36 C1’

154.30 C4’

163.71 C 4,6

165.52 C2

1-(4,6-bis(piperidino)-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (15). Se siguió el procedimiento utilizado para obtener el compuesto (13). Se

utilizaron 0.162 g (0.57 mmol) de compuesto (11), 0.221 g (245 L, 4.8 mmol)

de la solución de metilhidrazina. Las condiciones empleadas fueron 135 C, 80

W, 20 psi, por 90 min. Se obtuvieron 0.151 g (90 %). P.f. 167.5-169.3 C (sin recristalizar).

N

N

N

N

NN

NH2H3C

1

23

45

6

2'

3'4'

5'6'

IR ( , cm-1) 3003, 2968, 1738, 1217

1H-RMN (ppm) 80 C (400 MHz, DMSO-d6)

1.49, m, 8H H3’,5’

1.60, m, 4H H4’

3.14, s, 3H N-CH3

3.67, t, J = 5.3 Hz, 8H H2’,6’



24.42 C4’

25,38 C3’,5’

37.03 N-CH3

40.13 C2’,6’

163.71 C4,6

165.52 C2

158

1-(4,6-bis(morfolino)-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (16). Se siguió el procedimiento utilizado para obtener el compuesto (13). Se

utilizaron 0.163 g (0.57 mmol) del compuesto (12), 0.2979 g (245 L, 6.47 mmol) de la solución de metilhidrazina. Las condiciones empleadas fueron 135

C, 80 W, 20 psi, por 90 min. Se obtuvieron 0.14 g (83 %). P.f. 120.1-121.9 C (sin recristalizar).

N

N

N

NN

OO

NH2H3C

52'

3'

5'6'

2

3

46

N1

IR ( , cm-1) 3647, 2938, 1734, 1217

1H-RMN (ppm) (400 MHz, DMSO-d6)

3.32, s, 3H N-CH3

3.58, m, 8H H2’, 6’

3.65, m, 8H H3’, 5’


13C-RMN (ppm) (100 MHz, DMSO-d6)

36.98 N-CH3

43.25 C2’, 6’

66.05 C3’, 5’

164.55 C 4,6

165.51 C2

Hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N’,N’,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). El hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N’,N’,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17) se obtuvo a través del procedimiento descrito en la literatura.43 En un matraz de dos bocas de 250 mL, provisto de un agitador magnético, se adaptó un termómetro en una boca y en la otra un septum, se colocaron 6.948 g (5 mL, 61.52 mmol) de cloruro de cloroacetilo, y 28.263 g (30 mL, 386.69 mmol) de

N,N-dimetilformamida. La mezcla de calentó por 10 min. a 50 C.

Posteriormente se calienta a 70 C y a esa temperatura se adicionaron 9.869 g (6 mL, 64.36 mmol) de oxicloruro de fósforo. La adición se realizó en porciones de 1 mL cada hora, las cuales se hicieron lentamente empleando una jeringa de vidrio de 2 mL. Después de la última adición del oxicloruro de fósforo, la mezcla de reacción se dejó bajo agitación vigorosa por 3 horas más a la misma temperatura. Al acabar el tiempo de agitación, la mezcla de reacción se vertió en un vaso de precipitados de 500 mL el cual se colocó dentro de un baño de hielo. Sobre este vaso de precipitados, se fueron adicionando, en forma alternada la mezcla de reacción y una disolución de hexafluorofosfato de sodio (la cual se obtuvo mezclando 18.5 mL de hidróxido de sodio 5N, 16.8 mL de ácido hexafluorofosfórico (60 %) y 75 mL de agua). La adición se hizo lentamente, de tal manera que en todo momento se mantuvo una coloración amarilla en la mezcla del vaso de precipitados. Una vez que se terminó la adición, a través de un embudo de adición, se adicionó lentamente N,N-dimetilformamida hasta completar un volumen final de 400 mL. Una vez que se terminó la adición de la N,N-dimetilformamida, se dejó la mezcla de reacción dentro del baño de hielo. Se separó el producto crudo, el cual se aisló por medio de una filtración a vacio. El producto crudo se recristalizó con una

159

disolución de agua y 2-propanol (3.8 : 1, volumen total 150 mL), calentando a

70 C. El producto puro se aisló por filtración a vacío. Sobre el embudo Büchner el producto obtenido se lavó con una mezcla de agua y 2-propanol (20:1). Se secó en el mismo embudo y después se dejó en un desecador a 35

C a 10 mm de Hg en presencia de pentóxido de fósforo por 24 horas. Se

obtuvieron 9.1 g (47 %). P.f. 125.9-126.1 C (125-126 C). 43

Estructura? 1H-RMN (ppm) (400 MHz, DMSO-d6):

3.29, s, 6H N(CH3)2

3.47, s, 6H N(CH3)2

7.80, s, 2H C-H2, 4

Reacción de 1-(4,6-bis(fenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilhidrazina (13) con hexafluorofosfato de 3-cloro-N,N,N’,N’,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). Obtención de N,N-bis(4,6-bis(fenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)-1-metilamina (18). En un matraz de 25 mL provisto de agitador magnético y refrigerante de reflujo, se adicionaron 0.265 g (0.86 mmol) del compuesto (13) y 0.130 g (0.42 mmol) del compuesto (17) y 15 mL de etanol. La mezcla de reacción se calentó a

reflujo por 5 horas (temperatura 85 C). Al acabar el tiempo de calentamiento, el disolvente se eliminó por evaporación a vacío. El residuo se recristalizó de etanol/éter. Se obtuvieron 0.073 g de N,N-bis(4,6-bis(fenil)amino-1,3,5-triazin-2-

il)-metilamina (18), (20 %). P.f. 179.6-182.6 C.

N

NN

N

N

H

H

NN

N NN

N

H

H

CH3

IR ( , cm-1) 3628, 3015, 2955, 1737, 1622


3.58, s, 3H N-CH3

6.95, s ancha, 4 H H4’’

7.25, m, 8H H3’,5’

7.81, m, 12H H2’,6’

9.5, m, 4H N-H 13C-RMN (ppm) (100 MHz, DMSO-d6):

34.28 N-CH3

119.79 C2’’,6’’

122.38 C4’’

128.20 C3’’,5’’

163.24 C4,6

166.00 C2

160

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C31H28N12: m/z 568.2560. Encontrado:

m/z Abundancia

554.352 100

555.359 29

556.368 2

Reacción de 2-amino-4,6-bis(4-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (4) con hexafluoro-fosfato de 3-cloro-N,N,N’,N’,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentadieno (17). Obtención de N,N-bis(4.6-bis(4-metoxifenil)amino-1,3,5-triazin-2-il)amina (19). En un matraz de 25 mL provisto de un refrigerante de reflujo y de un agitador magnético, se colocaron 0.292 g (0.86 mmol) de 2-amino-4,6-bis(4-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (4) y se hicieron reaccionar con 0.134 g (0.437 mmol) de hexafluorofosfato de 2-cloro-N,N,N’,N’,-tetrametil-1,5-diaza-1,3-pentanodieno (17). Se adicionaron 15 mL de etanol. La mezcla de reacción se

calentó a reflujo por 4 días a 85 C. Al acabar el tiempo de calentamiento, el disolvente se eliminó por evaporación a vacio. El residuo se recristalizó de

etanol / éter. Se obtuvieron 0.08 g (20 %). P.f. 142.5-145.8 C (con descomposición).

IR ( , cm-1) 3379, 3337, 2951, 1700, 1242

1H-RMN (ppm) (400 MHz, CDCl3):

3.8, s, 12H O-CH3

6.4, s ancha, 2H N-H

6.8, d, J = 8.8 Hz, 8H H2’,6’

7.6, d, J = 8.8 Hz, 8H H3’,5’


8.7, d, J = 14.8 Hz, 4H N-H 13C-RMN (ppm) (100 MHz, CDCl3):

54.50 O-CH3

113.01 C3’,5’

121.95 C2’,6’

130.35 C1’

153.03 C4’

155.08 C4,6

163.57 C4’-6’

161

EM (MALDI-TOF) (DITRANOL). Calculado para C34H33N11O4: 659.2717. Encontrado:

m/z Abundancia

660.347 100

562.257 52

554.300 93

2.3.2.3 Derivados de para-feniléndiamina

2-Cloro-4,6-bis(-naftilamino)-1,3,5-triazina (20). Se siguió el procedimiento general para obtener el compuesto (8). Se utilizaron 1.847 g (10 mmol) de cloruro de cianurilo, disueltos en 30 mL de ácido acético. La disolución de

–naftilamina se preparó con 2.864 g (20 mmol) de amina disueltos en 30 mL de ácido acético. Se adicionó la disolución de amina a la disolución de cloruro de cianurilo en frío. Se dejó bajo agitación 48 horas a temperatura ambiente (se adicionaron 150 mL de ácido acético a las 24 horas para una mejor disolución). El producto crudo se aisló de la manera ya indicada. Se obtuvieron 1.282 g (32

%) de producto puro. P.f. 182.3–183.3 C (etanol).

IR ( , cm-1) 3431, 3217, 3055, 1584, 1492, 785, 768


7.35, t, J = 7.9 Hz, 2H H3’

7.47, m, 2H H4’

7.50, sistema ABCD, J = 8.0, 8.0, 1.6 Hz, 4H H6’,7’

7.75, d, J = 7.9 Hz, 2H H2’

7.90, sistema ABCD, J = 8.0, 1.6 Hz, 2H H5’

8.00, sistema ABCD, J = 8.0, 1.6 Hz, 2H H8’

9.76, s ancha, 2H N-H 13C-RMN (ppm) 80ºC (125 MHz, DMSO-d6):

123.68 C8’

123.97 C4’

125.93 C3’

126.57 C2’,6’,7’

128.62 C5’

129.71 C9’

134.09 C10’

134.52 C1’

166.64 C4,6

169.63 C2

162

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C23H16ClN5: m/z 397.1094. Encontrado:

m/z Abundancia

397.810 100

388.073 43

332.777 51

2-Cloro-4,6-bis(difenilamino)-1,3,5-triazina (21). En un matraz de 100 mL provisto de un agitador magnético y un refrigerante de reflujo se colocaron 3.688 g (20 mmol) de cloruro de cianurilo, 7.107 g (42 mmol) de difenilamina, 8.1 mL de DIPEA y 20 mL de di-n-butiléter. La mezcla

de reacción se calentó a reflujo (150 C) por 6 horas. Al acabar el tiempo de calentamiento, se vertió la mezcla de reacción en un vaso de precipitados conteniendo a mezcla de 5 mL de etanol y 10 mL de agua, el cual se colocó

dentro de un baño de hielo. La mezcla se dejó reposar por 12 horas a 4 C. Se observó una pasta, la cual se aisló por medio de una filtración a vacío. La pasta se lavó con más etanol (100 mL) frío, y se dejó en un desecador en presencia

de pentóxido de fósforo durante 12 horas a 35 C y 10 mm de Hg. Se

obtuvieron 5.506 g (61 %). P.f. 215.7–219.8 C (etanol).

IR ( , cm-1) 3647, 2980, 1738, 1200, 798, 752


7.08, m, 12H H2’,4’,6’

7.16, m, 8H H3’,5’ 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

126.10 C4’

127.42 C2’,6’

128.72 C3’,5’

142.57 C1’

165.56 C4,6

169.86 C2


m/z Abundancia

452.037 34

451.032 23

450.027 100

417.995 32

416.988 17

415.979 68

2,4-Dicloro-6-difenilamino-1,3,5-triazina (21a). En un matraz de fondo redondo de 250 mL se adicionaron 1.85 g (10 mmol) de cloruro de cianurilo y 30 mL de ácido acético glacial y sobre éste se adaptó un embudo de adición con presión compensada. En un vaso de precipitados de 250 mL provisto de un agitador magnético se adicionaron 3.39 g (20 mmol) de

163

difenilamina en 30 mL de ácido acético. Esta mezcla de reacción se dejó agitando por 30 min, al término de los cuales se introdujo en el embudo de adición con presión compensada.172 Bajo agitación magnética vigorosa se agregó lentamente y de forma continua la disolución de la anilina sobre la disolución del cloruro de cianurilo. Al término de la adición, la mezcla de reacción se dejó bajo agitación magnética vigorosa por 7 días a temperatura ambiente. Al finalizar el tiempo de reacción, el producto se aisló por medio de una filtración al vacío. Sobre el mismo embudo se hicieron 3 lavados sucesivos con agua caliente, hasta que el pH de los lavados fue de 6 (se requirieron aproximadamente 400 mL). El producto se secó a vacío en un desecador en presencia de pentóxido de fósforo durante 24 horas. Se obtuvieron 2.71 g (85

%). P.f. 178.0-179.5 C (alcohol isopropílico).


7.35, m, 12H H2’,4’,6’

7.45, m, 8H H3’,5’ 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

127.43 C4’

127.69 C2’,6’

129.51 C3’,5’

141.76 C1’

165.66 C4,6

169.11 C2

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C15H10Cl2N4: m/z 316.0283. Encontrado:

m/z Abundancia

316.882 100

317.890 3

318.880 51

2-Cloro-4,6-bis(difenilamino)-1,3,5-triazina (21b).179 En un matraz de fondo redondo de 100 mL se adicionaron 1.00 g (5.4 mmol) de cloruro de cianurilo y 4.86 g (28.7 mmol) de difenilamina. La mezcla de

reacción se calentó a reflujo (180-190 C) por 2 horas. Después de este tiempo, el líquido fundido se dejó enfriar a 140 °C y después se vertió en agua fría (500 mL). El sólido formado se aisló por filtración a vacio, y se extrajo con acetona (3 x 300 mL) y se recristalizó de tolueno. Se obtuvieron El producto se secó a vacío en un desecador en presencia de pentóxido de fósforo durante 24 horas.

Se obtuvieron 0.99 g (74%). P.f. 293.5-295.7C (tolueno) (297-298°C).192


m/z Abundancia

583.281 100

584.284 32

585.280 2

164

2-(4-Aminofenilamino)-4,6-bis(4-metoxifenilamino)-1,3,5-triazina (22). Se llevó a cabo de acuerdo al procedimiento desarrollado en nuestro grupo de investigación.74 En un matraz de microondas provisto de un agitador magnético, se colocaron 0.1 g (0.28 mmol) del compuesto (9), 0.091 g (0.84

mmol) de para-feniléndiamina, 150 L de DIPEA y 0.5 mL de dimetilsulfóxido.

Las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo la reacción fueron: 140 C, 70 W, 10 min. Terminado el tiempo de reacción, se adicionaron 5 mL de agua destilada. La mezcla de reacción se sonicó por 15 min. El producto se aisló por medio de una filtración a vacío. El precipitado se lavó con más agua destilada (3 lavados de 10 mL cada uno). Se dejó en un desecador en presencia de

pentóxido de fósforo durante 12 horas a 35 C y 10 mm de Hg. Se obtuvieron

0.117 g (98 %). P.f. 87–89.4 C (85–89.4 C) (sin recristalizar). 74

NN

NNH

NH

OCH3

H3CO

N

H

NH21

23

4

5

6

1' 2'

4'

5'

6'

1''2''

3''4''

5''

6''

3'

IR ( , cm-1) 3734, 2999, 1734, 1614, 1217, 791, 731


3.73, s, 6H OCH3

4.80, s ancha, 2H NH2

6.50, d, J = 8. 8 Hz, 2H H3’,5’

6.80, d, J = 8. 8, 4H H3’’,5’’

7.32, s ancha, 2H H2’,6’

7.70, s ancha, 4H H2’’,6’’

8.80, s ancha, 1H NH


2-(4-Aminofenilamino)-4,6-bis(morfolino)-1,3,5-triazina (23). Se siguió el procedimiento general ya descrito. Se utilizaron: 0.1004 g (0.35

mmol) de compuesto (12), 0.123 g (1.11 mmol) de para-feniléndimina, 310 L de DIPEA, 0.5 mL de dimetilsulfóxido. Las condiciones bajo las que se llevó a

cabo la reacción: 130 C, 90 W, 60 min. Se obtuvieron 0.118 g (94 %) del

producto (23). P.f. 208–210 C, con descomposición (sin recristalizar).

165

NN

N NN

N

O

O

H

NH21

23

4

5

6

1'2'

3'

4'5'

6'

2''3''

5''6''

IR ( , cm-1) 3744, 2968, 1738, 1364, 1217, 802


3.58, m, 8H H2’’, 6’’’

3.63, m, 8H H3’’, 5’’

4.70, s, 2H NH2

6.50, d, J = 8 Hz, 2H H3’,5’

7.20, d, J = 8 Hz, 2H H2’,6’

8.59, s, 1H N-H 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

43.72 C2’’,6’’

66.47 C3’’,5’’

114.22 C3’,5’

122.25 C2’,6’

129.65 C1’

144.13 C4’

164.37 C4,6

165.19 C2

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C17H23N7O2: m/z 357.1913. Encontrado:

m/z Abundancia

359.023 21

358.005 100

2-(4-Aminofenilamino)-4,6-bis(-naftilamino)-1,3,5-triazina (24). Se siguió el procedimiento general ya descrito. Se utilizaron: 0.100 g (0.25

mmol) del compuesto (20), 0.083 g (0.76 mmol) de para-feniléndimina, 220 L de DIPEA, 0.5 mL de dimetilsulfóxido. Las condiciones bajo las que se llevó a


producto (24). P.f. 103.2–105.9 C con descomposición (sin recristalizar).

NN

N NNH

NH

H

NH21

23

4

5 6

1'2'

3'

4'5'

6'

1''2''

3''4''5''

6''

7''

8''9''

10''

166

IR ( , cm-1) 3395, 3046, 2980, 1738, 1587, 1479, 806, 791, 770


4.60, s, 2 H NH2

6.25, d, J = 8.8 Hz, 2H H3’,5’

7.09, d, J = 8.8 Hz, 2H H2’,6’

7.43, t, J = 8.1 Hz, 2H H3’’

7.50, sistema ABCD, J = 8.0, 8.0, 1.6 Hz, 4H H6’’,7’’

7.60, d, J = 7.3 Hz, 2H H2’’

7.72, d, J = 8.2, 2H H4’’

7.91, sistema ABCD, J = 8.0, 1.6 Hz, 2H H5’’

8.02, sistema ABCD, J = 8.0, 1.6 Hz, 2H H8’’


8.97, s ancha, 2H N-H 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

113.03 C3’,5’

121.05 C2’,6’

123.00 C8’’

124.36 C4’’

125.06 C3’’

125.07 C2’’*

125.27 C6’’,7”*

127.39 C5’’

128.66 C1’**

128.92 C9’’**

133.30 C10’’

134.51 C1’’

142.98 C4’

163.61 C4,6

165.49 C2

* = intercambiables EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C29H23N7: m/z 469.5398. Encontrado:

m/z Abundancia

471.100 30

470.081 100

2-(4-Aminofenilamino)-4,6-bis(difenilamino)-1,3,5-triazina (25). Se siguió el procedimiento general. Se utilizaron: 0.103 g (0.229 mmol) del

compuesto (21), 0.078 g (0.721 mmol) de para-feniléndimina, 195 L de DIPEA, 0.5 mL de dimetilsulfóxido. Las condiciones bajo las que se llevó a


producto (25). P.f. 161.8–164 C con descomposición (sin recristalizar).

167

IR ( , cm-1) 3373, 3024, 2968, 1737, 802, 754, 689


4.59, s, 2 H NH2

6.17, d, J = 8.8 Hz, 2H H2’,6’

7.00, d, J = 8.8 Hz, 2H H3’,5’

7.14, m, 2H H,4’’

7.22, m, 4H H2”,6”

7.29, m, 4H H3’’,5’’

8.72, s, H N-H 13C-RMN (ppm) 80 C (125 MHz, DMSO-d6):

113.20 C3’,5’

120.29 C2’,6’

124.55 C4’’

127.24 C2’’,6’’

127.94 C3’’,5’’

129.05 C1’

142.65 C4’’

143.44 C1’’

163.00 C4,6

165.33 C2


m/z Abundancia

523.387 18

522.372 100

388.084 10

2.3.2.4 Introducción del espaciador. Hexafluorofosfato de 1,5-(N,N’-bis-4-[(4,6-bis(4’-metoxifenilamino)-1,3,5-triazin-2-il)-aminofenil])-3-cloro-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (26). Se siguió el siguiente procedimiento que fue general para obtener los diferentes productos con el mismo espaciador y que se describe para el producto (26).43 En un matraz de 50 mL, provisto de agitador magnético y al cual se adapta un refrigerante de reflujo, se adicionaron 0.135 g (0.378 mmol) de compuesto (22), 0.058 g (mmol) de compuesto (17). Se adicionaron 25 mL de etanol absoluto y la mezcla de reacción se calentó a reflujo por 4 horas. Al acabar el tiempo de calentamiento, el disolvente se eliminó por evaporación a vacío. Se obtuvieron

0.080 g (20 %). P.f. 185–187 C con descomposición (alcohol isopropílico).

168

IR ( , cm-1) 3647, 2986, 1748, 1734, 1624, 1254, 1105, 837


3.75, s, 12H O-CH3

6.88, d, J = 8.8 Hz, 8H H3’’’,5’’’

7.26, s ancha, 4H H3’,5’

7.64, s ancha, 8H H2’’’,6’’’

7.83, s ancha, 8H H2’,6’

8.24, s ancha, 2H H2,5


9.09, s ancha, 2H NH 13C-RMN (ppm) (125 MHz, DMSO-d6):

55.16 O-CH3

94.27 C3

113.51 C3’’’.5’’’

120.84 Sin asignar

122.14 Sin asignar

132.95 Sin asignar

140.16 Sin asignar

154.62 C1’’’

163.87 C2’’

163.99 C4’’,6’’

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C49H46ClN14O4: m/z 929.3510. Encontrado:

m/z Abundancia

931.366 32

930.369 42

929.367 100

895.412 31

554.376 24

545.287 10

511.326 93

430.265 22

Hexafluorofosfato de 1,5-(N,N’-bis-4-[(4,6-bis(N,N’-morfolino)-1,3,5-triazin-2-il)-aminofenil])-3-cloro-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (27). Se siguió el mismo procedimiento que el empleado con el producto (26). Se utilizaron 0.135 g (0.378 mmol) de compuesto (23), 0.058 g (0.189 mmol) de

compuesto (17). Se obtuvieron 0.101 g (29 %). P.f. 233.5-236.5 C con descomposición (alcohol isopropílico).

169

IR ( , cm-1) 3647, 2980, 1748, 1734, 1558, 1217, 1030, 825

1H-RMN (ppm) 80 C (500 MHz, DMSO-d6):

3.60, m, 16H H2’’,6’’

3.67, m, 16H H3’’’,5’’’

7.02, d, J = 8.8 Hz, 2H H2’,6’

7.19, d, J = Hz, 2H H2’,6’

7.58, d, J = 8.8 Hz, 2H H3’’,5’’

7.61, d, J = 8.8 Hz, 2H H3’’,5’’

8.01, d, J = 12.7 Hz, 1H H4

8.26, s, 1H H2

9.01, d, J = 12.7 Hz, 1H N-H

9.02, s ancho, 1H N-H

9.09, s ancho, 1H N-H 13C-RMN (ppm) 80 C (125 MHz, DMSO-d6)

42.93 C2’’’,6’’

66.5 C3’’’.5’’’

106.07 C3

115.53 C3’,5’

120.19 sin asignar

120.59 sin asignar

163.57 C6’’

164.54 C2’’,4’’

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C37H46ClN14O4: m/z 785.3510. Encontrado:

m/z Abundancia

788.183 16

787.176 43

786.173 45

785.167 92

751.205 100

473.136 5

439.177 44

Hexafluorofosfato de 1,5-(N,N’-bis-4-(4,6-bis(-naftilamino)-1,3,5-triazin-2-il) aminofenil])-3-cloro-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (28). Se siguió el mismo procedimiento que el empleado con el producto (26). Se utilizaron 0.1337 g (0.2847 mmol) del compuesto (24), 0.0527 g (0.172 mmol) del compuesto (17). Tiempo de calentamiento a reflujo 7 horas. Se obtuvieron

0.157 g (48 %). P.f. 148–151.5 C con descomposición (alcohol isopropílico).

170

IR ( , cm-1) 3647, 2988, 1748, 1607, 839, 770


6.88, s ancha, 4H H3’5’


7.45, m, 8H H2’,6’,3’’’

7.52, sistema ABCD, J = 8, 8, 1.6 Hz, 8 H H6’’,7’’’

7.60, d, J = 7.2 Hz, 4H H2’’’

7.75, d, J = 8.1 Hz, 4H H4’’’

7.95, sistema ABCD, J = 8, 1.6 Hz, 4H H5’’’

8.05, sistema ABCD, J = 8, 1.6 Hz, 4H H8’’’

8.99, s ancho, 2H H1,3

9.13, s ancha, 4H N-H 13C-RMN (ppm) 80 C (125 MHz, DMSO-d6):

98.00 C3

120.25 no asignado

123.47 no asignado

123.66 C2’’’

125.12 no asignado

125.50 *

125.61 *C2’,6’,3’’,7’’’,8’’’

125.81 *

127.90 C5’’’

129.49 C9’’’ ó C1’

133.79 C10’’’

134.83 C1’’’

164.06 C2’’

166.03 C4’’,6’’


m/z Abundancia

1011.426 38

1010.438 73

1009.419 100

975.469 55

831.415 6

594.369 15

551.336 43

Hexafluorofosfato de 1,5-(N,N’-bis-4-[(4,6-bis(difenilamino)-1,3,5-triazin-2-il) aminofenil])-3-cloro-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (29). Se siguió el mismo procedimiento que el empleado con el producto (26). Se utilizaron 0.1074 g (0.206 mmol) del compuesto (25), 0.0384 g (0.125 mmol) del compuesto (17). Tiempo de calentamiento a reflujo 60 horas. El producto obtenido se lavó con alcohol isopropílico. Se obtuvieron 0.114 g (44 %). P.f.

245-248 C con descomposición.

171

IR ( , cm-1) 3669, 3647, 3379, 1734, 1647, 1400, 837, 746, 696



6.85, d, J = 9.1 Hz, 4H H3’,5’

7.18, d, J = 7 Hz, 8H H4’’’’

7.2-7.4, m, 32H H2’’’,3’’’,5’’’,6’’’

7.31, m, 4H H2’,6’

8.17, s ancha, 2H H1,3

9.1, s ancha, 2H N-H 13C-RMN (ppm) 80 C (125MHz, DMSO-d6):

98.08 C3

116.63 C2’,6’

119.87 C3’,5’

125.50 C4’’’

127.82 C2’’’,6’’’

128.61 C3’’’,5’’’

129.08 C1’’’

143.34 C1’,4’

157.03 C2,4

161.57 C6’’

163.28 C2’’,4’’


m/z Abundancia

1113.458 100

1114.459 72

1115.457 66

1079.502 35

935.456 4

744.357 4

646.393 25

603.349 4

172

CAPÌTULO 3 DERIVADOS DE 2,4-DIAMINOTRIAZINA-6-(AMINOFENIL) SUSTITUÍDAS

173

CAPÌTULO 3 3.1 OBJETIVOS

174

3.1 Objetivos En base a los resultados obtenidos en las propiedades optoelectrónicas de los compuestos obtenidos en la 1ª. Parte de esta Memoria, se plantearon los siguientes objetivos para la segunda parte. a) Llevar a cabo la síntesis de un nuevo tipo de derivados de

bistriazinas, conectados entre sí por medio de una estreptocianina como cable molecular en los cuales se tendrá un compuesto aceptor π – donador π – n σ-donador π – aceptor π, esquema 5.1.

Esquema 5.1. Esquema propuesto para obtener los compuesto de la 2ª. Parte.

b) Determinar las propiedades optoelectrónicas de los compuestos

sintetizados por espectroscopia UV-vis; mecanismos de agregación determinado la influencia de la temperatura en la espectroscopia UV-vis; y fluorescencia.

175

CAPÌTULO 3 3.2 RESULTADOS Y DISCUSIÒN

176

3.2.1 Síntesis de bis triazinas. En esta parte de la Tesis se sintetizaron los compuestos (34)-(37) y (41), a través de la secuencia sintética que se muestra en Esquema 3.1.20,21

Esquema 3.1. Ruta sintética propuesta para obtener los compuestos (34)-(37) y (41).

Los compuestos que se sintetizarán presentan diferencias estructurales con los compuestos (26)-(29) sintetizados en la primera parte de esta memoria (Esquema 3.2)

1) El anillo de la 1,3,5-triazina presenta dos grupos amino primarios, los cuales son muy buenos grupos fluoróforos.178

2) En los compuestos (34)-(37) y (41) existe una conjugación extendida a lo largo de todo la estructura a diferencia de los compuestos (26)-(29) los grupos amino, marcados en rojo, rompen la conjugación con el anillo de triazina.

177

Esquema 3.2. Comparación de estructuras.

3.2.1.1 Síntesis de 2,4-diamino-6-(aminofenil)-1,3,5-triazinas isómeras (30)-(32) En primer lugar se sintetizaron las diaminotriazinas (30)-(32) por reacción de o-, m- y p-aminobenzonitrilo con cianoguanidina (Esquema 3.3).

Esquema 3.3. Obtención de 2,4-diamino-6-(aminofenil)-1,3,5-triazinas isómeras (30)-(32).

Esta reacción ha sido puesta a punto por nuestro grupo de investigación en nitrilos aromáticos y alifáticos mediante metodologías de Química sostenible, utilizando la radiación microondas como fuente de calefacción.22 Se había descrito la obtención de 2,4-diamino-6-(4´-aminofenil)-1,3,5-triazina (30), por hidrogenación catalítica en presencia de paladio del correspondiente nitroderivado.174 En nuestro caso la síntesis se realizó directamente sobre o-, m- y p-aminobenzonitrilo.

2,4-diamino-6-(4´-aminofenil)-1,3,5-triazina (30). La preparación se llevó a cabo por síntesis orgánica asistida por microondas (MAOS, esquema 3.3). Para obtener 2,4-diamino-6-(4´-aminofenil)-1,3,5-triazina (30) se probaron diferentes condiciones siendo la temperatura el parámetro más determinante (Tabla 3.1).

178

Condiciones de reacción Rendimiento (%)

Potencia (W) Temp. (°C) T. (min.) (30) Melamina

90 150 15 60 10

90 130 15 65 0

70 130 45 75 0 Tabla 3.1. Condiciones de reacción para obtener el compuesto (30) por MAOS.

Cuando la reacción se realiza a 150ºC se observa la formación de melanina por dimerización de cianoguanidina. Sin embargo a 130ºC se evita la formación de

este subproducto, siendo las mejores condiciones, 70 W, 130C y 45 min de irradiación. Estas condiciones de temperatura se utilizaron para la síntesis de los isómeros orto y meta (Tabla 3.2).

Isómero Condiciones de reacción Rendimiento

(%) Potencia (W) Temp. (°C) T. (min.)

meta (31) 70 130 15 92

orto (32) 70 130 15 92 Tabla 3.2. Condiciones de reacción para obtener los compuestos (31) y (32).

En todos los casos se obtuvieron excelentes rendimientos de los productos buscados Sin embargo en la síntesis del isómero orto (32) se aisló por cromatografía en columna un subproducto que se identificó como el compuesto (33) (7.2 %), el cual debe formarse por dimerización de o-aminobenzonitrilo, (Esquema 3.4).

C

NH2

+

N

C

NH2N

KOH

DMSO

CALOR

C

N

N

NH2NH2

(33) Esquema 3.4. Reacción de autocondensación orto-aminobenzonitrilo.

179

3.2.1.2 Preparación de los sistemas diméricos, compuestos (34)-(37) y (41). La preparación de los sistemas diméricos se llevó a cabo por condensación de los compuestos (30)-(32) con derivados de compuestos 1,3-dicarbonílicos como 1,1,3,3-tetrametoxipropano, o bien derivados de 1,5-diazapentadieno y sus sales. En la mayoría de los casos se utilizaron procedimientos previamente descritos por nuestro grupo,37 o por otros41 o métodos desarrollados recientemente en nuestros laboratorios (Esquema 3.1). Tetrafluoroborato de 1,5-bis[4-(-(2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (34). La primera reacción que se llevó a cabo fue entre el compuesto (30) y 1,1,3,3-tetrametoxipropano en presencia de ácido perclórico y a reflujo de etanol (Esquema 3.5).37

Esquema 3.5. Preparación de la bistriazina (34).

Se obtuvo el compuesto (34) con un rendimiento 61 %, pero se observó la presencia de un aldehído, el cual se forma por hidrólisis de la imina formada (34) por la presencia de agua en el ácido perclórico (concentración 70 %) (Esquema 3.6). La presencia del aldehído se detectó por 1H-RMN por la

aparición de un singlete a ≈ 9.

Esquema 3.6. Reacción de hidrólisis de la diimina (34).

Ante este resultado, la reacción se llevó a cabo bajo condiciones anhidras utilizando el complejo ácido tetrafluorobórico-dietil éter (Esquema 3.7).

180

Esquema 3.7. Obtención de la bistriazina (34) con el complejo ácido tetrafluorobórico-dietiléter.

Al calentar a reflujo de etanol por 10 min., se obtuvo el tetrafluoroborato de 1,5-bis-(4-(4,6-diamino-1,3,5-triazino-2-fenil))-1,5-diaza-pentano-1,3-dienio (34), con rendimiento cuantitativo (≈ 100 %). Tetrafluoroborato de 1,5-bis[3-((2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]1,5-diaza-1,3-pentanodienio (35) y tetrafluoroborato de 1,5-bis[(2-(2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]1,5-diaza-1,3-pentanodienio (36). Estas condiciones se extendieron a la síntesis de los isómeros, meta (35) y orto (36) (Tabla 3.3).

Isómero T (min.) Rendimiento (%)

meta (35) 30 ≈100

orto (36) 120 57 Tabla 3.3. Condiciones y resultados para la preparación de las bistriazinas (35) y (36).

El isómero meta (35) se obtuvo nuevamente con rendimiento cuantitativo con un tiempo de calentamiento de 10 min. Sin embargo, el isómero orto (36), que presenta mayor impedimento estérico, se obtuvo con un 57% y requirió 120 min. de calefacción. Hexafluorofosfato de 3-cloro-1,5-bis[4-(6’-(2’,4’-diamino)-1,3,5-triazinil)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (37). La preparación de las bistriazinas con un cloro en la cadena se realizó por reacción de condensación con 4,6-diamino-2-(4-aminofenil)-1,3,5-triazina (30). La reacción con hexafluorofosfato de 1,1,5,5-tetrametil-3-cloro-1,5-diazapentano-2,4-dienio (17) se llevó a cabo calentando a reflujo de etanol durante 20 horas (Esquema 3.8). Se obtuvo el hexafluorofosfato de 3-cloro-1,5-bis[4-(6’-(2’,4’-diamino)-1,3,5-triazinil)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (37), con un rendimiento del 45 %.

181

Esquema 3.8. Obtención de la bistriazina (37).

Hexafluorofosfato de 3-cloro-1,5-bis[3-(6’-(2’,4’-diamino)-1,3,5-triazinil)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (38). La reacción con el isómero meta (31) condujo al 3-cloro-1,5-bis[4-(6’-(2’,4’-diamino)-1,3,5-triazinil)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (38), con un rendimiento del 26 %. Sin embargo, en el espectro de 1H-RMN y por MALDI-TOF se observó que todavía quedaba amina (31) sin reaccionar y se empezaba a hidrolizar el producto obtenido al aldehído correspondiente por lo que no pudo obtenerse puro. La reacción del isómero orto, la diamino triazina (32) con (17) no dio lugar al producto esperado, incluso extendiendo a 72 horas el tiempo de reflujo, recuperándose el producto de partida inalterado. Perclorato de 3-(-4’-(n-dodeciloxifenil)-1,5-diaza-1,5-bis(4-(6-(2,4-diamino-1,3,5-triazinil)fenil)-1,3-pentanodienio (41). Nos planteamos la síntesis del compuesto (41) con un doble objetivo. Por una parte, aumentar la solubilidad de las sales al introducir una cadena alifática larga y por otra, determinar el efecto que produce la introducción de un grupo aromático en las propiedades ópticas de estos compuestos. La preparación de la bistriazina (41) se llevó a cabo por reacción entre la diaminotriazina (30) y la sal (40), calentado a reflujo de etanol durante 72 horas y en presencia de ácido acético glacial (Esquema 3.9). Se obtuvo la bistriazina (41) con un rendimiento del 17 %.41

Esquema 3.9. Obtención de la bistriazina (41).

Los productos obtenidos se caracterizaron por sus datos espectroscópicos, siendo especialmente significativos los datos de RMN.

182

3.2.2 RMN de los compuestos obtenidos en la 2a. parte. 3.2.2.1 Asignación de los espectros La Tabla 3.4 recoge las señales más características de los espectros de RMN de los compuestos (34)-(37) y (41). En la figura 3.1 se ilustran las diferencias observadas entre los tres isómeros.

Comp. NH2 NH H-2,4 H-3

(34) 7.18 sa 12.30 d 13.7 Hz

8.87 t 12.6 Hz

6.29 t 11.5 Hz

(35) 7.81 sa 12.30 d 13.7 Hz

8.87 dd 12.0 Hz 13.0 Hz

6.27 t 11.5 Hz

(36) 7.20 sa 7.26 sa

14.8 sa 9.0 t 11.7 Hz

7.02 t 11.4 Hz

(37) 6.67 sa 6.70 sa

9.53 d 12.6 Hz

8.29 d 12.6 Hz 8.39 s

----

(41) 6.64 sa 6.68 sa

12.86 t 8.25 ----

(34) C-2,4 C-3 C-2”,4” C-6”

(35) 159.08 99.92 167.73 164.90

(36) 162.66 99.26 167.79 169.84

(37) 158.45 102.55 165.95 169.55

(41) 154.53 156.76

107.83 167.31 167.36

169.55 169.80

Tabla 3.4. Señales características de los compuestos (34)-(37) y (41), (ppm), J (Hz), disolvente DMSO-d6.

Figura 3.1. Comparación de los espectros de los compuestos (34)-(36).

183

Las señales de los grupos amino primarios aparecen como señales anchas o incluso desdobladas (compuestos (36), (37) y (41)) debido a la rotación restringida que se produce en el enlace amino-triazina.22,202-204 Los grupos amino secundarios en 1 y 5 aparecen muy desapantallados y como dupletes por acoplamiento con H-2,4. Este desapantallamiento es especialmente notable en el isómero orto (36), lo que confirma que en este isómero los NH deben formar puentes de hidrógeno intramoleculares con los nitrógenos del anillo de triazina, lo cual fue confirmado en los resultados obtenidos por cálculos teóricos, subcapítulo 3.2.8. (Figura 3.2).

NN

H

H

H

H

H

BF4

N

N

N N

N

N

NH2H2NNH2H2N

(36) Figura 3.2. Formación de enlaces de hidrógeno intramoleculares en el compuesto (36).

En la cadena diénica el protón-3 aparece muy apantallado debido a la posición

en respecto a dos nitrógenos. Por el contrario los protones 2 y 4 aparecen muy desapantallados como corresponde a una estructura de imina. La constante de acoplamiento de 11.5 Hz es adecuada para una configuración E (trans) del doble enlace lo que indica que el sistema diénico debe tener una disposición en forma de W. De la misma manera, en los espectros de carbono-13 las señales de C-3 aparecen muy apantalladas y las señales de C-2,4 muy desapantalladas. Las señales de los carbonos del anillo de triazina pueden diferenciarse por su intensidad, apareciendo siempre más desapantallados los carbonos 2” y 4” unidos a grupos amino que el carbono 6” unido a carbono. Las señales de los anillos bencénicos se han asignado teniendo en cuenta la sustitución y por comparación con las aminofeniltriazinas precursoras (compuestos (30)-(32)). Sin embargo, en el isómero orto (36) solamente se observaban tres señales y con una multiplicidad inesperada (dos dupletes y un quintuplete) para un sistema ABCD. Por ello se realizó una simulación utilizando el paquete de software MestreNova (Figura 3.3),180 lo que permitió asignar inequívocamente el sistema de espines.

184

Figura 3.3. Espectro experimental (rojo) y simulado (azul) de la bistriazina (36) y asignación de las señales aromáticas.

Los espectros de los productos (37) y (41), que presentan un cloro y un grupo arilo respectivamente en la posición 3 de la cadena, son similares al espectro del compuesto (34) por lo que, a pesar de que no se observa el acoplamiento de H-2 con H-3, deben presentar una configuración en forma de W. En el compuesto (37) las señales del anillo aromático y de los protones 2 y 4 del sistema diénico aparecen diferenciados. Asimismo la señal del grupo NH está

apantallada respecto al resto de productos ( = 9.53). Por ello se realizó un estudio de resonancia dinámica de este compuesto con el objetivo de determinar el origen de esta no equivalencia.

3.2.2.2 Estudios de RMN dinámica Haciendo las mismas consideraciones que en el apartado 3.2.5 sobre los estudios de RMN dinámica, en el espectro de 1H-RMN del producto (37) se observan desdobladas las señales del anillo bencénico y de los protones 2 y 4 de la cadena, una como un d y otra como un s (Tabla 3.5).

NH2 H-2’ H-3’,5’ H-2’,6’ H-2,4 NH

6.67 6.70 7.18 8.20 8.24

7.18 7.41

8.29 (d) 8.39 (s) J = 12.6

9.53

J = 12.6 Tabla 3.5. Espectro de

1H-RMN del producto (37) (Disolvente, DMSO-d6; T= 298 K)

Nuevamente no fue posible conseguir la coalescencia aumentando la temperatura por lo que se registraron los espectros de intercambio en dos dimensiones a 298 K (Figura 3.4). Mediante los espectros 2D EXSY fue posible

N

T

H

H

H

H

7.39

7.7

7.7

8.49

7.8

7.87.8

185

determinar la constante de velocidad y la energía libre de activación del proceso, encontrándose valores muy parecidos a los observados para el compuesto (27), lo que parece indicar que se trata del mismo proceso.


1,2 1,944 298 17,05 71,32

2,1 2,353 298 16,93 70,85

Promedio: 16,99 71,09

Figura 3.4. Espectros EXSY (tm = 1 s) del compuesto (37) en DMSO-d6 a 298 K.

Es destacable que el proceso dinámico y por tanto el desdoblamiento de señales solamente se observa en los derivados que tienen un cloro en la posición 3 de la cadena. Sin embargo en los compuestos (26)-(29) solamente se observa claramente el desdoblamiento en el compuesto (27). En el resto de los derivados se observan señales anchas a temperatura ambiente y en ningún caso se detecta la coalescencia al aumentar la temperatura. En las bistriazinas (37) y (38) solamente se detecta en el isómero para (37). El isómero orto no pudo ser sintetizado y en el isómero meta (38), no se detecta el desdoblamiento y el producto descompone lentamente en disolución de DMSO, para revertir a la amina de partida y al aldehído, que pudo ser detectado por 1H-RMN (Figura 3.5).

186

N

N

N

H2N

NH2

N

H

H

H

O

Cl

9.12

H

H

H

H

9.85

8.34

8.12

7.84 7.46

7.36

6.66

13.2

8.17.7

Figura 3.5. Espectro de 1H-RMN del aldehído resultante de la hidrólisis del isómero

meta (38)

Las bistriazinas sintetizadas presentan muchas posibilidades de procesos cinéticos. Los derivados de aminotriazinas presentan rotación restringida en los enlace N-triazina.22,202-204 Por otra parte los 1,5-diazapentadienos presentan isomerización Z, E.37 Sin embargo estos dos tipos de procesos no justificarían varios aspectos de los espectros obtenidos:

Uno de los protones de la cadena está acoplado con el NH y mientras que el otro no lo está.

Solamente se observa claramente uno de los NH.

El proceso se observa cuando hay un cloro en posición 3. Considerando la electronegatividad del halógeno, nos planteamos la posibilidad de formación de un enlace de hidrógeno con un el grupo N+-H. La formación de este puente de hidrógeno justificaría la no aparición de este grupo N-H y la ausencia de acoplamiento (Figura 3.6). También fijaría la estructura lo que diferenciaría los protones 2 y 4. A elevada temperatura se facilitaría el intercambio entre las dos estructuras indicadas en la figura 3.6 y se igualarían las resonancias de los protones de la cadena y del anillo bencénico.

N

H

H

N

Cl

HR R

H

sd

N

H

H

N

Cl

HRR

H

s d Figura 3.6. Posible estructura de los derivados con cloro en posición 3.

Estos datos están de acuerdo con lo determinado mediante cálculos teóricos subcapítulo 3.2.8 (Figura 2.48) donde se observa la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos de cloro y el grupo N-H.

3.2.2.3 Estudio por 1H-RMN de la desprotonación de las bistriazinas (34)-(36). Se llevó a cabo un estudio de la desprotonación de las sales de iminio por RMN. Por adición de base pueden obtenerse las bases libres e incluso con un exceso de base podría llegarse a las correspondientes sales. Esto puede llevar a cambios configuracionales en el sistema diénico (configuración en forma de W y de herradura), así como a modificar la distribución electrónica y por tanto las propiedades optoelectrónicas (véase subcapítulo 3.2.3). Se hicieron una serie de experimentos por 1H-RMN para detectar y determinar la estructura de las bases libres y de los productos desprotonados. Se disolvieron los compuestos (34)-(36) en DMSO-d6 y se fueron añadiendo cantidades de KOH sólido. Se agitó el tubo de resonancia, se dejó decantar y se registraron los espectros de RMN. El proceso se repitió cada 5 min y si el

187

espectro no variaba en este intervalo se añadía una nueva cantidad de KOH sólido. En las figuras 3.7, 3.8 y 3.9 se muestran los espectros de los isómeros para (34), meta (35) y orto (36) respectivamente con adiciones variables de base. Inicialmente se observa un ensanchamiento de las señales que poco a poco se van afinando hasta obtener un espectro perfectamente diferenciado. Por otra parte la disolución toma una coloración más intensa, que pasa a ser de amarillo a rojo, en algunos casos es fluorescente (con los isómeros para (34) y orto (36)).

Figura 3.7. Espectro de 1H-RMN del isómero para (34) con adición de base.

Figura 3.8. Espectro de

1H-RMN del isómero meta (35) con adición de base.

188

Figura 3.9. Espectro de

1H-RMN del isómero orto (36) con adición de base.

El proceso completo de desprotonación, sal-base-anión, solamente se pudo seguir completamente por 1H-RMN con el isómero orto (36). En los isómeros para (34) y meta (35) solamente se pudo apreciar la sal y el anión. Sin embargo, las bases libres pudieron ser preparadas y aisladas por reacción de la correspondiente sal una disolución de KOH en DMF (ver subcapítulo 3.2.4). De esta manera se pudieron registrar los espectros y compararlos con las correspondientes sales y aniones (Tabla 3.6).

Comp NH2 NH H-2,4 H-3

J (Hz) J (Hz) J (Hz)

(34) 7.18 sa 12.30 d 13.7 8.87 t 12.6 6.29 t 11.5

Base 6.64 sa 9.92 sa ---- 8.20 sa ---- 5.91 t 11.1

Anión 6.61 sa 8.08 d 10.8 5,75 sa ----

(35) 7.81 sa 12.30 d 13.7 8.87 dd 12.0 13.0

6.27 t 11.5

Base 6.70 sa 7.99 s ---- 8.00 t 10.5 5.60 t 10.5

Anión 6.70 sa 7.99 s 8.00 (d) 10.6 5.62 t 10.6

(36) 7.20 sa 7.26 sa

14.8 sa 9.0 t 11.7 7.02 t 11.4

Base 6.59 sa 6.85 sa

12.43 d 12.1 7.84 t (H4) 8.07 d (H2)

12.5 9.6

6.45 t 11.4

Anión ---- ---- 7.69 d 10.9 5.33 sa ---- Tabla 3.6. Comparación de los espectros de sales, bases y aniones derivados de los compuestos (34)-(36)

La adición de base produce, como cabría esperar, un apantallamiento de todas las señales del espectro. La señal del grupo NH, inicialmente se apantalla para posteriormente desaparecer. Los protones del sistema diénico siguen manteniendo una constante de acoplamiento grande (12.5 Hz en las sales, 10.5-10.8 Hz en las bases y aniones) lo que parece indicar que se mantiene la configuración E del doble enlace y por tanto una configuración en forma de W en el sistema diénico. En ningún caso se observan constantes de acoplamiento

189

compatibles con una configuración Z y por tanto con una configuración en forma de herradura en el sistema diénico. Finalmente en la base libre del isómero orto (45) se observan desdobladas las señales de los anillos aromáticos (Figura 3.10). Este hecho confirma la presencia de un enlace de hidrógeno entre el grupo N-H y el nitrógeno de la triazina más cercano lo que dificulta la tautomería en el sistema diénico que haría equivalentes los dos anillos.

N

N

N

NH2H2N

N

HN

N

N

NH2H2N

N

H

H

H

H

H

H

H

H 8.41(d)

6.92 (t)

7.33 (t)

7.28 (d)

6.85 (sa)

7.15 (sa)

7.09 (t)

7.41 (sa)

Figura 3.10. Asignación de las señales de los anillos aromáticos en el isómero orto (45)

A manera de resumen, se muestran las estructuras de los compuestos involucrados en las reacciones ácido-base de cada compuesto y su correspondiente asignación (Figura 3.11).

190

Figura 3.11. Asignación de las señales de los productos de desprotonación de los isómeros orto, meta y para.

191

3.2.2.4 Experimentos de difusión (DOSY). 3.2.2.4.1 Objetivo. Con el objetivo de tener una visión completa de la posible asociación de los compuestos sintetizados en este capítulo, se realizaron experimentos de difusión en dos dimensiones (2D DOSY) para el compuesto (43).

Figura 3.12

3.2.2.4.2 Resultados y discusión. En primer lugar se realizaron una serie de experimentos de 1H-RMN a diferentes concentraciones (25 a 150 mM), empleando una mezcla DMSO-d6 +

C6D6 (450 L + 260 L) como disolvente, y TMS como referencia interna. Se empleó benceno como disolvente para favorecer la agregación debido a su carácter no coordinante. Sin embargo, fue necesario adicionar DMSO deuterado para disolver el compuesto (43) en el rango de concentración estudiado. Se observó cómo varía la señal de los protones de las posiciones 2´y 6´ del compuesto (43) al variar la concentración de la disolución. En la tabla 3.8 se muestran los desplazamientos químicos observados.

Concentración (mM) (ppm)

25 8.47

50 8.47

75 8.46

150 8.43 Tabla 3.8 Desplazamiento químico (ppm) de los H2’,6’ para el compuesto (43) en DMSO-d6 + C6D6

Los resultados obtenidos confirman que las señales se desplazan hacia campo alto al aumentar la concentración (Figura 3.13) lo que indica una posible interacción entre las moléculas y por tanto, una posible formación de agregados moleculares.

Figura 3.13. Espectros a diferentes concentraciones del compuesto (43), señal H2’,6’. Líneas: amarilla, 150 mM; roja 75 mM; morada 50 mM; azul, 25 mM.

192

A la vista de este resultado positivo se realizaron experimentos de espectroscopía espín-eco con gradientes de pulso (PFGSE, Pulsed Field-Gradient Spin Echo) a diferentes concentraciones para el compuesto (43), en función de la concentración (25mM-150mM), (usando la secuencia de pulso Doneshot, disponible en la librería de Agilent), empleando como disolvente DMSO-d6 / C6D6 a una temperatura de 298 K, y utilizando TMS como patrón interno para calcular la viscosidad de las disoluciones y mejorar la resolución de los espectros de PFGSE RMN.206 Este tipo de experimentos permite calcular el radio hidrodinámico del sistema supramolecular a partir del coeficiente de difusión obtenido. Los espectros pseudo-2D DOSY para el sistema de estudio en el rango de concentración estudiado (25mM-150mM) se muestran en la figura 3.14.

Figura 3.14. Espectros pseudo-2D DOSY del compuesto (43) a diferentes concentraciones (500 MHz, DMSO-d6 + C6D6, 298 K). Colores: verde, 150 mM; roja 75 mM; azul, 50 mM; amarilla, 25 mM.

La tabla 3.9 muestra los datos de coeficiente de difusión en función de la concentración extraídos de la figura 3.14. Al aumentar la concentración de la disolución del compuesto (43), se observa una disminución en el coeficiente de difusión, lo que es consistente con un aumento del tamaño de las especies en disolución y confirma que en disolución hay un proceso de autoensamblaje de las especies moleculares, dando lugar a agregados de distinto tamaño molecular.

Concentración (mM) Dt (x 10-10 m2/s)

25 6.78

50 3.64

75 3.14

150 2.09 Tabla 3.9 Coeficientes de difusión del compuesto (43) calculados a las concentraciones utilizadas.

El siguiente paso es determinar el tamaño del sistema supramolecular, mediante el cálculo del número de moléculas que componen el agregado (N). N es el parámetro empleado para cuantificar el grado de agregación, y se define como la relación entre VH/VH

0, donde VH es el volumen hidrodinámico del agregado supramolecular para una concentración determinada, y VH

0 se corresponde con el volumen hidrodinámico de una única unidad molecular, medido en condiciones experimentales de dilución, donde no se favorece el fenómeno de agregación.207 La ecuación de Stokes-Einstein (Ecuación 3.1) se emplea para estimar los valores de radio hidrodinámico de moléculas a partir de los coeficientes de difusión extraídos de PFGSE RMN. Se ha observado que cuando se quiere estudiar la agregación de moléculas con un radio hidrodinámico inferior a 6 Å, es necesario el uso de la ecuación de Stokes-Einstein modificada (Ecuación

193

3.2), la cual tiene en cuenta el tamaño relativo entre el soluto y el disolvente (factor [c(rsolv, rH)]), y la geometría de las moléculas (fs (a,b)).208 Cálculos computacionales (véase subcapítulo 3.2.8) indican que la molécula tiene un radio de la esfera de solvatación en DMSO de 5.74 Å.

Dt = KT / 6 rH Ecuación 3.1. Ecuación de Stokes-Einstein

donde: Dt = coeficiente de difusión del sistema supramolecular K = constante de Boltzmann T = temperatura c = factor de corrección que tiene en cuenta la relación de tamaño entre el soluto y el disolvente y viene determinado por la expresión:

fs = factor de corrección para moléculas no esféricas, que tiene en cuenta la relación entre los ejes a y b de la molécula. Estudios computacionales llevados a cabo sobre el compuesto (43) empleando un nivel B3LYP con una base 6-31G* muestran una relación entre a/b menor que 3, por tanto la asunción de que el compuesto (43) tiene forma esférica se puede considerar válida, y el factor f no hay que tenerlo en cuenta.

207

= es la viscosidad de la disolución. rH = radio hidrodinámico de la molécula. rsolv = radio hidrodinámico del disolvente

Ecuación 3.2. Ecuación de Stokes-Einstein modificada

Por tanto, asumiendo que la molécula (43) tiene una forma esférica, e introduciendo el factor de corrección c, la ecuación de Stokes–Einstein para el cálculo del radio hidrodinámico (rH) del sistema supramolecular del compuesto (43), a partir de los coeficientes de difusión (Dt) obtenidos mediante experimentos de PFGSE-RMN, quedaría de la siguiente forma:

Ecuación 3.3. Ecuación de Stokes–Einstein modificada para el cálculo del radio hidrodinámico

Dada la necesidad de emplear mezcla de disolventes para solubilizar el compuesto (43) en el rango de concentración estudiado, es necesario cuantificar la variación en la viscosidad del DMSO-d6 (el que se encuentra en mayor proporción) debido a su mezcla con benceno-d6, y de ese modo determinar el error que conllevan las medidas sí sólo se considera DMSO como

194

disolvente, y por tanto rsolv = rDMSO. La disminución en la viscosidad de la disolución de DMSO al añadir benceno, se calculó mediante experimentos de PFGSE-RMN de una mezcla DMSO-d6/benceno-d6 en presencia de TMS, y en ausencia del compuesto (43). Para ello es necesario calcular el factor de corrección de la viscosidad del DMSO puro. Dicho factor de corrección es igual a la relación entre las pendientes de las líneas rectas obtenidas al representar log(I/I0) (I= intensidad de la señal para una fuerza de gradiente determinada; I0 = intensidad de la señal en ausencia de gradiente de campo magnético) frente a G2 (fuerza de gradiente en los experimentos PFGSE) para las resonancias relativas al residuo de disolvente no deuterado en el disolvente puro y en la disolución, respectivamente. Así, la variación en la viscosidad del DMSO-d6 a 298 K debida a su mezcla con benceno, pasa de 2 cp a 1.86 cp. Dado que esta variación se corresponde con un 7% exclusivamente, consideramos cómo válida la aproximación de emplear rsolv = rDMSO para el cálculo del radio hidrodinámico en la ecuación 33. El radio del DMSO se encuentra tabulado (rsolv

= 2.72 Å).208 Respecto al cálculo de la viscosidad para cada disolución, se empleó el coeficiente de difusión de TMS obtenido para cada concentración de estudio, ya que no interacciona con el compuesto (43) y su radio se puede considerar constante. El valor del radio del TMS se calculó introduciendo en la ecuación 3.3 el coeficiente de difusión obtenido para TMS en la mezcla DMSO/benceno mencionada anteriormente, así como el valor de viscosidad corregida (1.86 cp). De este modo se obtiene un valor para el radio de TMS de 2,48 Å. La tabla 3.10 muestra los valores de coeficiente de difusión para el TMS, coeficiente de difusión para el compuesto (43), viscosidad de cada disolución

(), radio hidrodinámico (rH) y, volumen del agregado (V) para cada valor de concentración.

Conc mM

Dt TMS

x 10-10

m2/s

Dt x 10

-10 m

2/s

x 10

-3Pa x s

rH

x 10-10

m V

x 10-28

m3

N

25 12.81 6.78 1.27 3.52 1.83 1

50 9.40 3.64 1.74 4.30 3.33 1.8

75 8.67 3.14 1.88 4.52 3.87 2.1

150 7.09 2.09 2.3 5.26 6.10 3.3

rTMS = 2.48 Å; rsolv = 2.72 Å Tabla 3.10.Coeficientes de difusión, radio hidrodinámico y volumen de agregado determinados.

El producto (Dt x ) tiene un valor diferente para cada valor de concentración, lo que corrobora que la variación observada en los valores del coeficiente de difusión no solamente se debe al cambio de viscosidad de las disoluciones, sino también a la entidad supramolecular formada.209 Para determinar VH

0, se considera el radio hidrodinámico obtenido para 25 mM dado que se corresponde con un volumen de 108 cm3/mol. Este volumen es inferior al obtenido por cálculos computacionales PCM- B3LYP(6-31(d)) para el monómero (V= 252 cm3/mol), por tanto se puede asumir que el dato de coeficiente de difusión correspondiente a 25 mM se corresponde con la especie molecular no agregada (VH

0 = 1.83 x 10-28 m3). También es importante destacar que los disolventes empleados en RMN y en los cálculos computacionales son distintos, DMSO/Benceno en RMN y DMF en los cálculos lo que justifica que los resultados sean también diferentes. La fortaleza de las interacciones entre las unidades moleculares como un elemento de construcción del agregado supramolecular se pone de manifiesto mediante el número de unidades que forman el agregado (N). Como puede

195

observarse en la tabla 3.10, este número aumenta con la concentración hasta algo más de tres moléculas por unidad de especie supramolecular para el mayor valor de concentración estudiado, siendo éste el límite superior debido a problemas de solubilidad. De forma ideal, N, aumentará continuamente hasta el estado sólido. El número absoluto de unidades que componen el agregado podría estar afectado por el tipo de disolvente empleado, dado el carácter coordinante de DMSO, lo que podría desfavorecer la interacción entre especies moleculares del compuesto (43) e impedir así la agregación de un mayor número de moléculas en disolución.

3.2.2.4.3 Conclusiones.

Los estudios de 1H-RMN indican la posible formación de agregados moleculares dada la variación en desplazamiento químico observada para el rango de concentración estudiado (25mM-150mM).

Los experimentos de PFGSE RMN han corroborado el auto-ensamblaje de moléculas en la disolución de DMSO/benceno a 298 K al observar una disminución del coeficiente de difusión cuando aumenta la concentración.

Se ha comprobado que esta variación del coeficiente de difusión no se debe exclusivamente a la variación de la viscosidad sino al fenómeno de agregación.

La ecuación de Stokes-Einstein modificada da una idea del tamaño del agregado molecular, obteniendo un total de algo menos de tres moléculas interaccionando entre sí, presumiblemente mediante interacción por puentes de hidrogeno.

196

3.2.3 Estudio de las propiedades optoelectrónicas. 3.2.3.1 Objetivos. De manera similar a lo realizado en la primera parte de la memoria, se realizó un estudio de las propiedades fotoluminiscentes de las bistriazinas obtenidas (34)-(41) unidas por un sistema diénico como espaciador con el objetivo de determinar sus propiedades ópticas y su posible aplicación en dispositivos optoelectrónicos (Figura 3.15).

Figura 3.15. Estructuras de las bistriazinas analizadas.

Se registraron los espectros de absorción (UV-Visible) y de emisión (Fluorescencia) para cada uno de los compuestos indicados, con tres disolventes con polaridad diferente (CH2Cl2 (o CHCl3), CH3OH y DMF), y al menos con tres concentraciones diferentes (10-5 M, 10-6 M y 10-7 M). Los espectros se compararon con las materias de partida, las 2,4-diamino-6-aminofenil-triazinas isómeras, compuestos (30) a (32), con objeto de determinar el efecto que produce la unión de los sistemas de triazina a través de un espaciador conjugado. Se discutirán:

1. Los espectros de absorción y fluorescencia de las triazinas y de sus correspondientes bistriazinas unidas por un espaciador diénico. Se observarán los efectos del disolvente y la concentración.

2. La influencia de la temperatura en los espectros de UV-visible, para determinar si las bistriazinas unidas por un espaciador diénico presentan agregación (formación de excímeros), y por medio de qué tipo de mecanismos se lleva a cabo la formación de éstos.

3. La influencia de la base en las propiedades optoelectrónicas. 4. El rendimiento cuántico, para determinar su posible utilidad en la

construcción de células solares o de OLEDs.

197

3.2.3.2 Resultados.

Espectro UV-Visible

250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CH2Cl2

CH3OH

DMF

COMPOUND (30) 10m5M


CH2Cl2 311 1.311

CH3OH 312 0.355

DMF 312 1.542 Figura 3.16. Espectro UV-Visible compuesto (30) en varios disolventes.

El máximo de la absorbancia (Figura 3.16) se centra en 311 nm en todos los disolventes. Se observa una disminución de la absorbancia en metanol.

198


250 300 350 400 450 500

0

200

400

600

800

1000

1200COMPOUND (30) 10m6M

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CH2Cl2 309 nm

CH2Cl2 350 nm

CH3OH 271 nm

CH3OH 325 nm

DMF 313 nm

INFLUENCE OF TYPE OF SOLVENT


CH2Cl2 309 389 1005*

350 405 480

CH3OH 271 395 103

325 395 218

DMF 313 389 1005*

* La señal se saturó Figura 3.17. Espectros de fluorescencia compuesto (30) en varios disolventes.

El compuesto (30) presenta emisión en el intervalo de 350 a 500 nm (Figura 3.17). Además, la intensidad depende del disolvente empleado, siendo intensa en cloruro de metileno y DMF. La intensidad de emisión depende de la longitud de onda a la cual se excite. Esto se puede explicar por la formación de agregados en los dos disolventes apróticos. Con un disolvente prótico polar, la solvatación disminuye la agregación y por tanto la intensidad de la fluorescencia.

199

Espectro UV-Visible a) Escala absorbancia 0 a 2.0 b) Escala absorbancia 0 a 0.3

225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (34) 10m6M

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.1

0.2

0.3

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (34) 10m6M


CHCl3 238 0.07

281 0.05

CH3OH

211 0.19

280 0.09

314 0.11

403 0.03

DMF

264 0.01

308 0.04

394 0.17 Figura 3.18. Espectro UV-Visible compuesto (34) en varios disolventes.

El espectro de absorción del compuesto (34), presenta dos bandas centradas aproximadamente a 325 y 400 nm y de baja intensidad, las cuales presentan pequeños cambios al variar el disolvente (Figura 3.18). La banda a 400 nm presenta un efecto batocrómico de aproximadamente 80 nm respecto al compuesto (17) debido a un aumento de la conjugación con los anillos bencénicos.

200


250 300 350 400 450 500 550 600

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CHCl3, 280 nm

CH3OH, 320 nm

DMF, 418 nm

COMPOUND (34)

10m6 M

INFLUENCE TYPE OF SOLVENT


CHCl3 280

CH3OH 320 395 1004

DMF 418 501 92 Figura 3.19. Espectros de fluorescencia compuesto (34) en varios disolventes.

El espectro del compuesto (34), muestra que la emisión depende del tipo de disolvente empleado (Figura 3.19). Contrariamente a lo observado en la triazina (30) la mayor intensidad de emisión se observa en metanol. Este hecho debe relacionarse con el cambio en la distribución electrónica al pasar del compuesto (30) al (34), (Figura 3.20).

Figura 3.20. Efecto push-pull en el compuesto (30).

En el compuesto (30) existe un efecto push-pull debido a la participación de los pares de electrones del grupo amino. Por ello el empleo de metanol, que disminuye este efecto disminuye también la fluorescencia. En el compuesto (34) este efecto no existe ya que el nitrógeno del grupo amino está implicado en el sistema diénico. Por el contrario en el compuesto (34), con menor momento dipolar, la mayor fluorescencia se observa en disolventes próticos. Las bandas de emisión están en este caso más relacionadas con el sistema diénico que con la triazina. Se observa una diferencia de 75 nm entre la absorción y el máximo de emisión del compuesto (34) en metanol. Esto implica un número de onda de 133 cm-1, que es el desplazamiento de Stokes. La banda de emisión presenta una anchura media. Este valor, representa la pérdida de energía que se produce

201

frecuentemente en forma térmica y es debida a relajaciones de estados vibracionales y rotacionales, pero en ocasiones un valor del desplazamiento de Stokes anómalo es indicativo de procesos más complejos de pérdida de energía.210


250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (37) 10m6M

250 300 350 400 450 500

0.0

0.1

0.2

0.3

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (37) 10m6M


CHCl3 240 0.068

300 0.017

CH3OH

205 0.089

329 0.047

391 0.020

DMF

266 0.057

308 0.087


El espectro de absorción del compuesto (37) es muy similar al del compuesto (34), sin cloro en la cadena, con un ligero efecto hipsocrómico en las bandas de menor longitud de onda y un efecto batocrómico en la banda de mayor longitud de onda (Figura 3.21). Lo más llamativo del espectro es la disminución de la intensidad en metanol.

202


300 350 400 450 500 550 600

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CHCl3, 400 nm

CH3OH, 325 nm

DMF, 306 nm

COMPOUND (37)

10m6 M



CHCl3 401 434 83

CH3OH 326 395 842

DMF 306 367 331

418 110 Figura 3.22. Espectros de fluorescencia del compuesto (37) en varios disolventes

El espectro de emisión del compuesto (37) es nuevamente similar a que presenta el compuesto (34) (Figura 3.22). La emisión más intensa se observa en metanol pero con una ligera disminución en la intensidad respecto al compuesto (34), del orden de 160 unidades. La presencia de un átomo electronegativo como el cloro debe “fijar” la densidad electrónica y disminuir la deslocalización de la carga.

203

Espectro UV-Visible

200 250 300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF

COMPOUND (31) 10m5M


CHCl3 243 0.577

283 0.458

CH3OH 208 2.000

283 0.115

DMF 264 0.154


El espectro de absorción del compuesto (31) (Figura 3.23) presenta dos máximos de absorción, uno centrado aproximadamente entre 200-260 nm y el otro 280-340 nm, cuya intensidad depende notablemente de la polaridad del disolvente. La absorbancia es menor que en el isómero para disustituido (30), como corresponde a la menor conjugación existente en este isómero.

204


250 300 350 400 450 500 550 600 650

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CHCl3, 242 nm

CHCl3, 280 nm

CH3OH, 206 nm

CH3OH, 225 nm

CH3OH, 281 nm

DMF, 264 nm

DMF, 336 nm

INFLUENCE TYPE OF SOLVENT AND WAVELENGTHCOMPOUND (31)


CHCl3 242 444 534

280 449 1000*

CH3OH

206 495 39

225 495 207

281 497 151

DMF 264 435 432

336 433 653

* La señal se saturó Figura 3.24. Espectros de fluorescencia del compuesto (31) en varios disolventes.

La emisión con el compuesto (31) se presenta en un intervalo de longitud de onda que va de 430 a 500 nm, en los tres disolventes empleados (Figura 3.24). Además, la intensidad depende del disolvente empleado, siendo muy intensa en cloroformo y en menor medida en DMF. Nuevamente el comportamiento es parecido al isómero para (30) aunque la longitud de onda de emisión aumenta en casi 100 nm.

205


200 250 300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (35) 10m6M

250 300 350 400 450 500 550

0.0

0.1

0.2

0.3

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (35) 10m6M


CHCl3 239 0.06

274 0.04

CH3OH

237 0.30

267 0.15

360 0.21

388 0.27

DMF 264 0.06


El espectro de absorción del compuesto (35) (Figura 3.25) presenta dos bandas de absorción a 226 y 350-400 nm aproximadamente, con cambios al variar el disolvente de tipo solvatocrómico y asociados a una disminución en la intensidad. Las bandas son similares en longitud de onda y absorbancia a las que presenta el isómero para (34).

206


350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CHCl3 358 nm

CH3OH 240 nm

DMF, 393 nm

INFLUENCE TYPE OF SOLVENTCOMPOUND (35)

10m5 M


CHCl3 358

410 138

434 138

461 70

CH3OH 240 483 97

DMF 393 470 33 Figura 3.26. Espectros de fluorescencia compuesto (35) en varios disolventes.

En los espectros de emisión del compuesto (35) (Figura 3.26), se observa una disminución notable de la fluorescencia tanto si se compara con la triazina de partida (31) como con el isómero para (34) lo que indica la importancia tanto de la disponibilidad del par electrónico del grupo amino primario como la conjugación extendida, que no existe en el isómero meta.

207

Espectro UV-Visible

250 300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF

COMPOUND (32) 10m5M


CHCl3

240 1.050

281 0.674

356 0.242

CH3OH 228 0.660

265 0.222

356 0.112

DMF 270 0.083


El compuesto (32) presenta un espectro UV-vis similar al isómero para (30), con un máximo de absorción centrado a 275 nm siendo la absorción más intensa en cloroformo (Figura 3.27).

208


250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CHCl3, 239 nm

CHCl3, 281 nm

CH3OH, 226 nm

CH3OH, 264 nm

CH3OH, 355 nm

DMF, 269 nm

DMF, 356 nm

INFLUENCE TYPE OF SOLVENT AND EXCITATION WAVELENGTH

COMPOUND (32)

10m5 M


CHCl3 239 496 129

281 496 978

CH3OH

226 451 405

264 451 439

355 450 259

DMF 269 425 39

356 427 63 Figura 3.28. Espectros de fluorescencia compuesto (32) en varios disolventes.

El compuesto (32) presenta emisión en el intervalo de 400 a 650 nm que depende del disolvente empleado (Figura 3.28). Nuevamente la mayor intensidad de fluorescencia se produce en cloroformo. Además se observa que la intensidad de la emisión depende de la longitud de onda a la cual se excite. Esto se puede explicar por la formación de agregados con el disolvente no polar. Es llamativa la baja intensidad de fluorescencia en DMF especialmente si se compara con los isómeros para (30) y meta (31).

209

Espectro UV-Visible

200 250 300 350 400 450 500 550 600

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

CHCl3

CH3OH

DMF


COMPOUND (36) 10 m6M


CHCl3 237 0.057

271 0.065

CH3OH

223 0.153

281 0.065

310 0.051

355 0.029

DMF

275 0.048

348 0.050


El espectro de absorción del compuesto (36), (Figura 3.29) es nuevamente similar al isómero para (34) aunque con un desplazamiento hipsocrómico de las bandas y una disminución de la intensidad de las señales.

210


250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

CHCl3, 238 nm

CH3OH, 270 nm

DMF, 388 nm


COMPOUND (36)

10m5 M


CHCl3 298

CH3OH 270 496 361

DMF 388 Figura 3.30. Espectros de fluorescencia compuesto (36) en varios disolventes.

En los espectros de emisión del compuesto (36) (Figura 3.30), solamente se observa una intensidad media de emisión en metanol. En relación al isómero para (34) se reduce la intensidad de la emisión un 50% pero aumenta la longitud de onda de emisión, 100 nm.

211

3.2.3.3 Efecto de la concentración Espectros de fluorescencia

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0

10

20

30

40

50

60

INTENSITY CONCENTRATION

ASSOCIATED

CONCENTRATIONINTENSITY

Inte

nsity

Wavelength (nm)

1.4 X 10m5M

1.4 X 10m6M

1.4 X 10m7M

COMPOUND (31) CH3OH 206 nm

FREE

Fluorescencia-CH3OH excitación = 206 nm


311 3 1.4 X 10-5 M

315 53 1.4 X 10-6 M

315 24 1.4 X 10-7 M

495 39 1.4 X 10-5 M

499 3 1.4 X 10-6 M Figura 3.31. Espectros de fluorescencia compuesto (31) a diferentes concentraciones en metanol

En la Figura 3.31, se muestran los espectros de fluorescencia del compuesto (31) en metanol a diferentes concentraciones, donde se observan dos bandas de emisión. La banda a menor longitud de onda aumenta con la dilución (ca. 310 nm) mientras que la banda a mayor longitud de onda (ca. 490 nm) disminuye con la dilución lo que parece indicar una asociación en el estado excitado. A concentraciones altas la banda a 450 nm (asociada) es más intensa mientras que a concentraciones bajas la banda a 300 nm (libre) es la más intensa.

212

250 300 350 400 450 500 550

0

2

4

6

8

10

12

14

INTENSITY CONCENTRATIONASSOCIATED

IN T E N S IT Y CO NCENTRATION

Inte

nsity

Wavelength (nm)

10m5M

10m6M

10m7M

COMPOUND (35)

DMF 265 nm

FREE

Fluorescencia CH3OH excitación 265 nm

emisión (nm) Intensidad Concentración (M)

293 3.223 2.3 X 10-5

291 6.022 2.3 X 10-6

292 6.783 2.3 X 10-7

448 12.449 2.3 X 10-5

434 1.675 2.3 X 10-6

421 1.238 2.3 X 10-7 Figura 3.32, Espectros de fluorescencia compuesto (35) a diferentes concentraciones en DMF.

En la Figura 3.32, se muestran los espectros de fluorescencia del compuesto (35) en DMF a diferentes concentraciones, donde nuevamente se observan dos bandas de emisión. La banda a menor longitud de onda aumenta con la dilución (ca. 290 nm) mientras que la banda a mayor longitud de onda (ca. 420-450 nm) disminuye con la dilución lo que parece indicar una asociación en el estado excitado. A concentraciones altas la banda a 450 nm (asociada) es más intensa mientras que a concentraciones bajas la banda a 290 nm (libre) es más intensa.

213

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

0

20

40

60

80

100

INTENSITY CONCENTRATION

FREE

CONCENTRATIONINTENSITY

Inte

nsity

Wavelength (nm)

10m5M

10m6M

10m7M

COMPOUND (35)

CH3OH 240 nm

ASSOCIATED

Fluorescencia CH3OH excitación 240 nm

emisión (nm) Intensidad Concentración (M)

356 5.043 2.3 X 10-7

390 10.807 2.3 X 10-6

485 11.694 2.3 X 10-7

485 79.983 2.3 X 10-6

485 95.503 2.3 X 10-5 Figura 3.33, Espectros de fluorescencia compuesto (35) a diferentes concentraciones en metanol.

Finalmente, en la Figura 3.33, se muestran los espectros de fluorescencia del compuesto (35) en metanol a diferentes concentraciones, donde nuevamente se observan dos bandas de emisión. La banda a menor longitud de onda aumenta con la dilución (ca. 350-390 nm) mientras que la banda a mayor longitud de onda (ca. 485 nm) disminuye con la dilución lo que parece indicar una asociación en el estado excitado. A concentraciones altas la banda a 485 nm (asociada) es más intensa mientras que a concentraciones bajas la banda a 350-390 nm (libre) es la más intensa.

214

3.2.3.4 Discusión y conclusiones. 3.2.3.4.1 Espectros UV-vis.

1. A diferencia de lo observado en los compuestos (26)-(29) (capítulo 2.2.3), los espectros de las bistriazinas sintetizadas en este capítulo no son la suma de los espectros de la diimina y la triazina, lo que confirma que existe una mayor conjugación entre el sistema diénico (cadena de estreptocianina) y el anillo de triazina.

2. En las triazinas de partida, compuestos (30)-(32), hay un desplazamiento al rojo (batocrómico) que aumenta con la conjugación (para > orto > meta). En los productos finales este efecto solamente se observa en DMF (para, 394 > orto, 377 > meta, 347 nm). La presencia de un cloro en el sistema diénico provoca un efecto hipsocrómico en esta banda.

3.2.3.4.2 Espectros de fluorescencia. Influencia de la concentración

En los tres disolventes, la banda a menor longitud de onda disminuye con la dilución (ca. 300 nm) mientras que la banda a mayor longitud de onda (ca. 450 nm) aumenta con la dilución lo que parece indicar una asociación en el estado excitado. A concentraciones altas la banda a 450 nm (asociada) es más intensa mientras que a concentraciones bajas la banda a 300 nm (libre) es la más intensa.

Efectos del disolvente Cloroformo

En las triazinas de partida (30)-(32) la intensidad disminuye con la dilución y se observa un desplazamiento batocrómico, orto 496 > meta 449 > para 389 nm. Presentan una elevada intensidad de fluorescencia.

En las diiminas (34)-(38) la fluorescencia disminuye notablemente respecto a las triazinas de partida, lo que se asigna a la participación del grupo amino primario en el sistema diénico.

Metanol

Se observa una baja intensidad de fluorescencia en las triazinas (30)-(32), lo que se asocia a la solvatación por formación de enlaces de hidrógeno.

En las diiminas (34)-(38) se observa una alta intensidad de fluorescencia en los isómeros para (34) y (37), intermedia en el isómero orto (36) y baja en los isómeros meta (35) y (38).

La presencia de un cloro en la cadena produce una disminución de la intensidad de fluorescencia.

Dimetilformamida

Se observa un comportamiento similar al que se presenta en cloroformo. Sin embargo, los isómeros orto (32) y (36) presentan una muy baja intensidad de fluorescencia en este disolvente, siendo la mayor intensidad en los isómeros para (30), (33) y (34).

215

3.2.4 Reacciones ácido-base 3.2.4.1 Objetivos Se realizó un estudio de las propiedades fotoluminiscentes de las bistriazinas sintetizadas, las cuales se hicieron reaccionar con base, para determinar el efecto del pH en las propiedades ya mencionadas. Se estudiaron los compuestos (34), (35), (36) y (41). Se estudió la influencia de la base en los espectros de absorción (UV-Visible) y en los espectros de emisión (fluorescencia). 3.2.4.2 Resultados y discusión En todos los casos se siguió el mismo procedimiento experimental para las determinaciones de los espectros de absorción (UV-Visible) y de los espectros de emisión (fluorescencia). Se registró el espectro del compuesto en forma de sal de iminio correspondiente [(34), (35), (36) o (41)] en DMF y posteriormente en dos matraces, provistos de agitador magnético, se adicionaron dos cantidades diferentes de hidróxido de potasio sólido, en exceso, a la solución de la sal en DMF. La mezcla se mantuvo bajo agitación magnética vigorosa durante 3 horas a temperatura ambiente.

Esquema 3.10. Reacción de las bistriazinas (34)-(36) con KOH.

216

Isómero para (34) En el esquema 3.10 se muestra el proceso de desprotonación secuencial del isómero para (34). Se aseguró la formación del anión (47) al utilizar hidróxido de potasio sólido en exceso. Espectros de Ultravioleta-Visible Se registró el espectro UV-Visible del isómero para (34) en DMF (concentración 5.3 x 10-5 M) y de acuerdo al procedimiento general ya descrito se utilizaron dos cantidades diferentes de hidróxido de potasio sólido: 2.1 x 10-4 moles de KOH y 7.0 x 10-4 moles. Los espectros obtenidos se muestran en la figura 3.34.

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

without KOH

+ KOH (2.1 X 10m4 mol)

+ KOH (7.0 X 10m4 mol)DMF 5.3 X 10m5 M

COMPOUND (34)

KOH añadido (moles) (nm) Absorbancia

0

264 0.660

287 0.664

419 2.992

2.1 x 10-4

7.0 x 10-4

275 1.685

377 0.638

523 3.030 Figura 3.34. Espectros UV-vis del isómero para (34) con cantidades variables de potasa

Como se puede ver en la figura 3.34, se observan cambios importantes. Si nos centramos en la señal más intensa, al adicionar la base se observa un gran desplazamiento batocrómico, de 104 nm lo que indica un aumento notable de la conjugación en todo el sistema.

217

Espectros de fluorescencia Los espectros de fluorescencia se registraron con la misma disolución e inmediatamente después de haber registrado el espectro de Ultravioleta, se hicieron determinaciones a diferentes longitudes de onda de excitación y se registró el espectro de emisión.

250 300 350 400 450 500 550 600 650

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

274 nm

288 nm

418 nm

COMPOUND (34)

DMF 5 X 10m5M

Figura 3.35. Espectros de fluorescencia del isómero para (34) con excitación a 274, 285 y 419 nm.

En el espectro de fluorescencia del isómero para (34) se observa una intensidad baja en la fluorescencia. De hecho se observan dos emisiones, una centrada entre 300 y 400 nm y la que nos más nos interesa centrada entre 450-600 nm, siendo esta última la más atractiva para un posible uso en celdas solares (Figura 3.35). En la figura 3.36 se representan los espectros obtenidos para el isómero para (34) con las dos cantidades de KOH adicionadas.

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

without KOH, 419 nm

+ KOH (0.21 mmol), 521 nm

+ KOH (0.7 mmol), 521 nm

COMPOUND (34)

DMF 5.3 X 10m5 M

Figura 3.36. Espectro de fluorescencia del isómero para (34) con cantidades variables de KOH. Excitación a 419 y 521 nm.

218

Se observa que la adición hidróxido de potasio produce un aumento notable de la intensidad de fluorescencia, llegándose a saturar la señal. En la figura 3.37 se representan los espectros obtenidos en función de la longitud de onda de excitación para las dos cantidades de KOH empleadas.

a)

300 400 500 600 700 800 900 1000

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

274 nm

382 nm

521 nm

INFLUENCE EXCITATION WAVELENGTH

COMPOUND (34)DMF 5.3 X 10m5 M

KOH (2.1 X 10m4 mol)

b)

300 400 500 600 700 800 900 1000

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

274 nm

382 nm

521 nm


COMPOUND (34)

DMF 5.3 X 10m5 M


Figura 3.37. Espectros de fluorescencia del isómero para (34) a 274, 382 y 521 nm en presencia de KOH. a) Cantidad de KOH 2.1 x 10

-4 M. b) Cantidad de KOH 7.0 x 10

-4 M

La longitud de onda de excitación tiene una influencia notable en la intensidad de fluorescencia. Se observa una mayor intensidad en la emisión a una longitud de onda de 521 nm. En todos los casos, el compuesto emite a dos longitudes de onda diferente, centrándose una entre 350-475 nm y la otra entre 550-700 nm. Los cambios de color en las disoluciones se muestran en la figura 3.38. Como se puede ver, de una solución inicial del isómero para (34) en DMF de color amarillo, al adicionar KOH en metanol, la solución, con la luz blanca, toma un color rojo intenso. Cuando se coloca la muestra en luz UV de onda larga se aprecia un color amarillo, intenso. A una disolución menos concentrada, la muestra sigue presentando fluorescencia, pero se va hacia el rosa.

Luz blanca

Luz

blanca

Luz UV

365 nm Base 10-1 M

Luz UV

365 nm Base 10-7 M

Figura 3.38. Cambios de color del isómero para (34) en medio básico.

219

Isómero meta (35) En el esquema 3.10 se muestra la reacción general de desprotonación secuencial del isómero meta (35). Nuevamente se aseguró la formación de la base conjugada (44) al utilizar hidróxido de potasio en exceso. Se determinó el espectro de UV-Visible del isómero meta (35) en DMF (concentración 5.5 x 10-5 M) y de acuerdo al procedimiento general ya descrito se utilizaron dos cantidades diferentes de hidróxido de potasio sólido: 2.9 x 10-4 moles de KOH y 7.5 x 10-4 moles. Los espectros obtenidos se muestran en la figura 3.39. Espectro Ultravioleta-visible

300 400 500 600 700 800

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

without KOH

+ KOH 2.9 X10m4

+ KOH 7.5 X10m4

COMPOUND (35)

DMF 5.5 X 10m5 M


0

267 0.907

365 2.052

393 2.108

2.9 X 10-4 moles 278 4.362

414 1.276

7.5 X 10-4 moles 280 4.491

414 1.443 Figura 3.39. Espectro UV-vis del isómero meta (35) con cantidades variables de potasa.

La adición de KOH produce cambios menos importantes que en el isómero

meta (35). Se observa un efecto batocrómico al adicionar base (267 nm,

hasta 13 nm, 393 nm hasta 21 nm). Por el contrario en la banda a 267 nm se produce un aumento notable en la absorbancia y una disminución en la banda a 393 nm. Este menor efecto de la base estaría de acuerdo con la menor conjugación existente en el compuesto (35) debido a la disposición meta de los dos grupos unidos al anillo bencénico, triazina y cadena diénica.

220

Espectros de fluorescencia En la figura 3.40 se muestran los espectros de emisión del isómero meta (35) a diferentes longitudes de onda de excitación.

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Inte

nsity

Wavelength (nm)

267 nm

364 nm

392 nm

COMPOUND (35)DMF 5.5 X 10m5 M


Figura 3.40 Espectros de fluorescencia del isómero meta (35). Excitación a 267, 364 y 392 nm.

La intensidad de la emisión es muy baja, pero siempre se centra entre 400-600 nm. Cuando se adiciona KOH, se observa un aumento importante en la intensidad de la emisión (Figura 3.41), aunque sigue siendo baja, y la aparición de una nueva banda a 400 nm. La emisión se centra en el intervalo 350-675 nm.

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

without KOH, 267 nm

+ KOH (2.9 X 10m4 mol), 280 nm

+ KOH (7.5 X 10m4 mol), 280 nm

Inte

nsity

Wavelength (nm)

COMPOUND (35)

DMF 5.5 X 10m5M

Figura 3.41. Espectros de fluorescencia del isómero meta (35) con cantidades variables de KOH.

221

En la figura 3.42 nuevamente se muestran los espectros de emisión del isómero meta (35) con KOH (2.9 X 10-4 moles), a diferentes longitudes de onda de excitación.

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

280 nm

414 nm

450 nm


COMPOUND (35)

DMF 5.3 X 10m5 M


Figura 3.42. Espectros de fluorescencia del isómero meta (35) en presencia de KOH. Excitación a 280, 414 y 450 nm.

Contrariamente a lo observado en el compuesto (35), la intensidad de la emisión es muy baja. Nuevamente la disminución de la conjugación en el compuesto (35) debe ser la responsable de este efecto.

Isómero orto (36) En el esquema 3.10 se muestra el proceso de desprotonación secuencial del isómero orto (36). Se aseguró la formación del anión (46) al utilizar hidróxido de potasio en exceso. Espectro de Ultravioleta-Visible Se registró el espectro de UV-Visible del isómero orto (36) en DMF

(concentración 5.5 x 10-5 M) y de acuerdo al procedimiento general ya descrito se utilizaron dos cantidades diferentes de hidróxido de potasio sólido: 2.8 x 10-4 moles de KOH y 7.6 x 10-4 moles. Los espectros obtenidos se muestran en la figura 3.43.

222

300 400 500 600 700 800

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

without KOH

+ KOH (2.8 X 10m4 mol)

+ KOH (7.6 X 10m4 mol)

DMF 5.5 X 10m5 MCOMPOUND (36)


0

268 0.731

350 1.213

375 1.295

2.8 X 10-4

268 1.957

350 0.862

441 0.290

7.6 X 10-4

270 1.597

350 0.862

441 0.462 Figura 3.43. Espectro UV-vis del isómero orto (36) con cantidades variables de potasa

En el isómero orto (36) se observan nuevamente cambios importantes. La adición de base provoca un aumento de la absorbancia de la banda a 268 nm y una disminución de la banda a 350 nm. Espectros de fluorescencia Se registraron los espectros de emisión del isómero orto (36) a varias longitudes de excitación utilizadas. Los espectros obtenidos se recogen en la figura 3.44.

223

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

0

5

10

15

20

25

Inte

nsity

Wavelength (nm)

264 nm

350 nm

376 nm

COMPOUND (36)

DMF 5.5 X 10m5 M


Figura 3.44. Espectros de fluorescencia del isómero orto (36). Excitación a 264, 350 y 376 nm.

La intensidad de la fluorescencia es baja, sin embargo, independientemente de la longitud de onda de excitación, se obtiene una banda de emisión a 400-650 nm con la misma intensidad. En la figura 3.45 se muestran los espectros obtenidos para el isómero orto (36) con las dos cantidades de KOH adicionadas.

350 400 450 500 550 600 650 700

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Inte

nsity

Wavelength (nm)

without KOH, 376 nm

+ KOH (2.8 X 10m4 mol), 364 nm

+ KOH (7.6 X 10m4 mol), 364 nm

COMPOUND (36)

DMF 5.5 X 10m5M

Figura 3.45. Espectros de fluorescencia del isómero orto (36) con cantidades variables de KOH.

Se observa un aumento de la intensidad de la fluorescencia cuando se adiciona hidróxido de potasio, aunque no tan importante como en el isómero para. Es importante destacar que el espectro no varía si se mantiene la reacción con potasa durante 72 horas, por lo que no se trata de una velocidad lenta de desprotonación, sino un efecto característico del isómero orto.

224

En la figura 3.46 se muestran los espectros de emisión del isómero orto (36) con una cantidad de KOH 2.8 X 10-4 moles, a diferentes longitudes de onda de excitación.

300 350 400 450 500 550 600 650

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

268 nm

345 nm

364 nm

445 nm


COMPOUND (36)

DMF 5.5 X 10m5 M


Figura 3.46. Espectros de fluorescencia del isómero orto (36) en presencia de KOH. Excitación a 268, 345, 364 y 445 nm.

La longitud de onda de excitación influye en la intensidad de la emisión, siendo más alta esta última a 364 nm, pero no influye en la longitud de onda de emisión. El isómero orto (36) emite en un intervalo amplio, de 360-575 nm.

Compuesto (41) En el esquema 3.11 se muestra el proceso de desprotonación secuencial del compuesto (41). Se aseguró la formación del anión (50) al utilizar hidróxido de potasio en exceso.

225

Esquema 3.11. Reacción del compuesto (41) con potasa.

226

Espectros de Ultravioleta-Visible

300 400 500 600 700 800

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

without KOH

+ KOH (3.7 X 10m4 mol)

+ KOH (8.0 X 10m4 mol)

COMPOUND (41)

DMF 2.5 X 10m5 M


0

264 0.437

295 0.504

314 0.515

420 0.400

3.7 X 10-4 moles

271 1.256

328 0.777

393 0.553

503 0.803

8.0 X 10-4 moles

275 1.225

328 0.907

393 0.673

500 0.866 Figura 3.47. Espectros UV-vis del compuesto (34) con cantidades variables de potasa

En el espectro de UV (Figura 3.47) se observan tres bandas para el compuesto (41) en DMF (concentración 2.5 x 10-5 M). En medio básico se observa un desplazamiento batocrómico, pequeño para la banda a 264 nm (11 nm) y grande para la banda a 420 nm (83 nm) y un aumento notable en la absorbancia de ambas bandas.

227

Espectros de fluorescencia Los espectros de emisión del compuesto (41) a con excitación a diferentes longitudes de onda se muestran en la figura 3.48.

250 300 350 400 450 500 550

0

200

400

600

800

1000

INFLUENCE OF EXCITATION WAVELENGTH

Inte

nsity

Wavelength (nm)

264 nm

292 nm

311 nm

420 nm

COMPOUND (41)

DMF 2.6 X 10m5M

Figura 3.48. Espectros de fluorescencia del compuesto (41) con excitación a 264, 292, 311 y 420 nm.

En el compuesto (41), se observa una alta intensidad en la emisión como corresponde a un compuesto con mayor conjugación. También se puede ver que la mayor intensidad de emisión se produce a una longitud de onda de excitación de 311 nm. Además la emisión se centra entre 350-500 nm, con excepción de la longitud de onda de excitación a 420 nm en la que no se observa emisión. En la figura 3.49 se comparan los espectros de fluorescencia del compuesto (41) en medio neutro y en presencia de base. En medio neutro la emisión centra en el intervalo 350-475 nm, pero al adicionar KOH aumenta la intensidad, centrándose la emisión entre 350-500 nm.

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

without KOH, 311 nm

+ KOH (3.7 x 10m4 mol) 323 nm

+ KOH (8.0 x 10m4 mol) 323 nm

COMPOUND (41)

DMF 2.6 X 10m5M

Figura 3.49. Espectro de fluorescencia del compuesto (41) con cantidades variables de KOH. Excitación a 311 y 323 nm.

228

Finalmente, se representaron los espectros de emisión del compuesto (41) en medio básico y a diferentes longitudes de excitación (Figura 3.50).

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Inte

nsity

Wavelength

275 nm

323 nm

392 nm

504 nm

+ KOH (3.7 X 10m4 mol)

COMPOUND (41)

DMF 2.6 X 10m5M


Figura 3.50. Espectros de fluorescencia del compuesto (41) a 275, 323, 392 y 504 nm en presencia de KOH.

La mayor intensidad de fluorescencia se produce con excitación a 323 nm. Por otra parte es destacable que la emisión se produce en un intervalo amplio de longitudes de onda, 350-500 nm. Los cambios de color en las disoluciones se muestran en la figura 3.51. Como se puede ver, de una solución inicial del compuesto (41) en DMF de color amarillo, al adicionar KOH en metanol, la solución, con la luz blanca, toma un color rojo intenso. Cuando se coloca la muestra en luz UV de 365 nm se aprecia un color azul intenso.

Luz blanca

Luz blanca

Luz UV 365 nm

Base 10-1 M Figura 3.51. Cambios de color del compuesto (41) en medio básico.

229

3.2.4.3 Conclusiones El diferente comportamiento observado entre los tres isómeros, (34), (35) y (36) en medio básico está relacionado con la diferente conjugación y deslocalización del anión formado. En los isómeros orto y para puede lograrse una deslocalización efectiva de la carga en todo el sistema, sistema diénico, anillos bencénicos y anillos de triazina (Esquemas 3.12 y 3.13). Por el contrario en el isómero meta, la deslocalización solamente puede extenderse a lo largo del sistema diénico y los anillos bencénicos, permaneciendo el sistema de triazina independiente (Esquema 3.14). Estabilización del anión por resonancia:

Esquema 3.12. Deslocalización de la carga negativa en el isómero para (34).

Esquema 3.13. Deslocalización de la carga negativa en el isómero orto (36)

Esquema 3.14. Deslocalización de la carga negativa en el isómero meta (35).

En el isómero orto la formación de puentes de hidrógeno intramoleculares debe dificultar la desprotonación en la cadena. Además, en este caso, la desprotonación de los grupos amino primarios, en el anillo de triazina debe dar lugar a estructuras más estables donde la deslocalización a lo largo de toda la estructura debe ser mínima (Esquema 3.15).

Esquema 3.15. Desprotonación del isómero orto (36) en los grupos amino primario.

230

Comparación entre los compuestos (34) y (41). Es importante resaltar la diferencia importante que existe en el espectro de emisión de los compuestos (34) y (41). En la figura 3.52 se muestran los espectros de cada compuesto a diferentes longitudes de onda de excitación.

a)

250 300 350 400 450 500 550 600 650

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

274 nm

288 nm

418 nm

COMPOUND (34)

DMF 5 X 10m5M

b)

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

without KOH, 419 nm

+ KOH (0.21 mmol), 521 nm

+ KOH (0.7 mmol), 521 nm

COMPOUND (34)

DMF 5.3 X 10m5 M

c)

250 300 350 400 450 500 550

0

200

400

600

800

1000

INFLUENCE OF EXCITATION WAVELENGTH

Inte

nsity

Wavelength (nm)

264 nm

292 nm

311 nm

420 nm

COMPOUND (41)

DMF 2.6 X 10m5M

d)

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

0

200

400

600

800

1000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

without KOH, 311 nm

+ KOH (3.7 x 10m4 mol) 323 nm

+ KOH (8.0 x 10m4 mol) 323 nm

COMPOUND (41)

DMF 2.6 X 10m5M

Figura 3.52. Espectros de fluorescencia en ausencia de base y en medio básico respectivamente. a) y b) Compuesto (34). c) y d) Compuesto (41).

La presencia del fenilo en posición 3 del sistema diénico produce un aumento de la intensidad de fluorescencia en la sal inicial. Por el contrario, la longitud de onda de emisión se desplaza hipsocrómicamente (119 nm). En medio básico,

231

donde debe formarse el anión, la presencia del fenilo produce una disminución de la intensidad de fluorescencia (disminución del 30 %) y también un desplazamiento hipsocrómico (205 nm). El fenilo en posición 3 está homoconjugado con el sistema diénico, por lo que no aumenta la conjugación del sistema. Además, por efecto estérico disminuye la planaridad del sistema y por tanto su conjugación, lo que justifica el efecto hipsocrómico observado. La presencia de un grupo electrodonador, el grupo alcoxilo debe estabilizar la carga positiva en la sal, lo que provoca un aumento en la intensidad de fluorescencia. Sin embargo en medio básico, donde debe predominar el anión, el grupo alcoxilo presenta un efecto desestabilizante lo que justifica la disminución en la intensidad de fluorescencia.

3.2.5 Espectroscopia UV-Visible. Influencia de la temperatura. 3.2.5.1 Objetivos. Se realizó un estudio del efecto de la temperatura en los espectros de UV-Visible, para determinar cualitativamente la agregación o autoensamblaje de las bistriazinas sintetizadas. El objetivo planteado fue el mismo que el planteado para los compuestos (26)-(29).

3.2.5.2 Resultados y discusión En todos los casos se siguió el mismo procedimiento experimental: Se preparó una disolución de concentración conocida (10-6 M) y se registraron los espectros en diclorometano o cloroformo. Se determinaron los espectros de UV-vis a intervalos de 5 grados en el rango que permitía el punto de ebullición de los disolventes. En el mejor caso entre 263 y 328 K. Una vez alcanzada la temperatura se dejaba estabilizar durante 5 min antes de registrar el espectro. Se registraron los espectros de los productos (34)-(38), obteniéndose resultados similares, por lo que se incluye detalladamente el estudio del isómero para (34). Se utilizó una disolución 2.65 x 10-6 M en CHCl3, que nos permitía un rango de temperaturas desde 263 a 328 K. La elevada polaridad de los compuestos y en consecuencia su baja solubilidad en disolventes apolares, los más adecuados para el estudio de la asociación limitaron notablemente el número de disolventes posibles (Figura 3.53).

232

a) b)

250 300 350 400 450 500 550 600

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

-10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (34)

SOLVENT CHCl3

240 260 280

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

-10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (34)

SOLVENT CHCl3

c) d)

240 260 280 300 320 340

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Ab

so

rba

nce

Wavelength (nm)

-10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

COMPOUND (34)

SOLVENT CHCl3

270 280 290

0.04

0.05

0.06

Abso

rba

nce

Wavelength (nm)

- 10 C

- 5 C

0 C

5 C

10 C

15 C

20 C

25 C

30 C

35 C

40 C

45 C

50 C

55 C

INFLUENCE OF TEMPERATURE

COMPOUND (34)

Figura 3.53. Espectro UV-vis del isómero para (34) a diferentes temperaturas.

a) Espectro escala 240-600 nm, A = 0-1.2. b) Espectro escala 240-280 nm, A = 0-

0.4. Punto isosbéstico. c) Espectro escala 230-350 nm, A = 0-1.25. d) Espectro

escala 270-290 nm, A = 0.040-0.065.

Tabla 3.11. Absorbancia y coeficiente de extinción molar en función de la temperatura

para el compuesto (34), = 238 y 282 nm.

T (K)

Absorbancia 238 nm

x 105

(L mol-1 cm-1)

Absorbancia 282 nm

x 105

(L mol-1 cm-1) 263 0.000 0.0 0.057 2.15

268 0.000 0.0 0.054 2.04

273 0.000 0.0 0.053 2.00

278 0.000 0.0 0.052 1.96

283 0.000 0.0 0.051 1.92

288 0.073 0.3 0.050 1.88

293 0.197 0.8 0.045 1.69

298 0.321 1.2 0.043 1.62

303 0.472 1.8 0.042 1.58

308 0.614 2.3 0.041 1.54

313 0.774 2.9 0.041 1.54

318 0.916 3.5 0.041 1.54

323 1.066 4.0 0.041 1.54

328 1.217 4.6 0.040 1.50

233

De las figuras 3.53c y d se tomaron los datos que se muestran en la tabla 3.11

y las figuras 3.54 y 3.55, a una = 238 nm y de 282 nm respectivamente.

Figura 3.54. Variación de la absorbancia en función de la temperatura (tabla 3.11) para el isómero para (34).

El isómero para (34), a bajas temperaturas forma un agregado molecular, el excímero, el cual predomina de 260 a 285 K. Conforme se aumenta la temperatura, se tiene el monómero solvatado, pero no fue posible determinar la temperatura a la cual predomina el monómero por el punto de ebullición (60 °C) del disolvente empleado.

Figura 3.55. Variación del coeficiente de extinción molar en función de la temperatura (tabla 3.11) para el isómero para (34).

234

Como se puede ver en la figura 3.55 y en la tabla 3.11 el coeficiente de extinción molar es 0 hasta una temperatura de 283 K, a partir de allí aumenta siguiendo una excelente correlación lineal con la temperatura. En las figuras 3.56 y 3.57 se muestran la representación de la absorbancia y del coeficiente de extinción molar a 282 nm en función de la temperatura (Tabla 3.11).

Figura 3.56. Variación de la absorbancia en función de la temperatura (de la tabla 3.11) para el isómero para (34).

Figura 3.57. Variación del coeficiente de extinción molar en función de la temperatura (de la tabla 3.11) para el isómero para (34).

A 282 nm, la absorbancia disminuye al aumentar la temperatura, lo que está de acuerdo con lo descrito por Meijer, et al.,197 y se puede atribuir a una disminución del grado de asociación al aumentar al temperatura. A bajas temperaturas (hasta 283 K) está presente el excímero casi exclusivamente, y se observa una mayor absorbancia. Conforme se incrementa la temperatura se

235

favorece la disociación del excímero. El aumento de la proporción de monómero se traduce en una disminución en la absorbancia o en el coeficiente de extinción molar. En la figura 3.53b se puede apreciar un punto isosbéstico, punto en el que a una la longitud de onda dada, dos especies químicas tienen el mismo

coeficiente de extinción molar () o en una forma más general, se encuentran linealmente relacionadas. Por el mismo procedimiento se determinaron los puntos isosbésticos de los productos (35)-(38) (Tabla 3.12).

Producto Punto isosbéstico

(nm) Absorbancia

(34) 263 0.053

(35) 270 0.036

(36) 269 0.064

(37) 274 0.015

(38) 270 0.073 Tabla 3.12. Longitud de onda y absorbancia de los puntos isosbésticos de los compuestos (34)-(38).

De acuerdo al perfil que se observa en las figuras 3.54 y 3.55, si se compara con lo descrito por Meijer, et. al.,197 podemos concluir que para el isómero para (34) el mecanismo que sigue la formación de los excímeros es del tipo isodésmico. Es decir, hay un incremento gradual en el número y longitud de las especies agregadas y se forman a concentraciones altas o por constantes de asociación altas. Sin embargo no fue posible determinar la temperatura a la cual predomina el monómero, porque el punto de ebullición del disolvente empleado (60 °C) no permitió llegar a esa situación. En nuestro caso se observa un aumento de la banda a 282 nm y una disminución de la banda a 238 nm al aumentar la agregación, a baja temperatura. Por tanto se produce un desplazamiento batocrómico con la agregación, lo que indicaría la presencia de un agregado tipo J, de manera similar a lo observado en las bistriazinas sintetizadas en el Capítulo 2 de esta Memoria (subcapítulo 2.2.4).24

3.2.6 Determinación del rendimiento cuántico de fluorescencia. 3.2.6.1 Objetivos. Los compuestos (34) y (41) presentaban una intensidad de fluorescencia elevada. Por ello se decidió determinar el rendimiento cuántico del compuesto (34) y su base conjugada (47), para investigar su posible utilidad en la construcción de células solares o de OLEDs. 3.2.6.2 Antecedentes. Cuando un fluoróforo absorbe un fotón de luz, se forma un estado excitado energéticamente. El destino de esta especie es muy diverso, depende de la naturaleza exacta del fluoróforo y sus alrededores, pero el resultado final es la desactivación (la pérdida de energía), y el regreso al estado inicial. Los principales procesos de desactivación que se presentan son:

1) Fluorescencia (pérdida de energía por la emisión de un fotón), la conversión interna.

2) Relajación vibracional (pérdida de energía no radiativa como calor en los alrededores).

3) Entrecruzamiento entre sistemas en el estado triplete y posterior desactivación no radiativa.213

236

El rendimiento cuántico de fluorescencia (Φ),213,214 es la relación de protones absorbidos a protones emitidos por fluorescencia. En otras palabras el rendimiento cuántico da la probabilidad de que el estado excitado sea desactivado por fluorescencia más que por los otros mecanismos no radiativos ya mencionados. Las moléculas altamente fluorescentes, por ejemplo, la fluoresceína, tienen eficiencias cuánticas que, en ciertas condiciones, se aproximan a la unidad. Las especies no fluorescentes tienen eficiencias que son prácticamente cero. El patrón de fluorescencia fue escogido teniendo en cuenta que las longitudes de onda de absorción y emisión del patrón han de estar muy próximas a las longitudes de onda de absorción y emisión de la muestra a determinar. Asimismo, para medidas de rendimiento cuántico precisas, el patrón debe tener un valor aproximado al rendimiento cuántico de la muestra a determinar. Se prepararon cinco disoluciones tanto de la muestra problema como del patrón con absorbancias entre 0.02, 0.04, 0.06, 0.08 y 0.10 e inmediatamente se hicieron los registros de los espectros de fluorescencia irradiando a la longitud de onda correspondiente al máximo de absorción para cada una de ellas. Con estas medidas se representó gráficamente el máximo de absorbancia en función del área de intensidad de fluorescencia. En todas las muestras se observó una correlación lineal entre ambos datos para el rango de absorbancias elegido. Finalmente se calculó el rendimiento cuántico usando la ecuación 3.4.

Ecuación 3.4

Donde ΦR es el rendimiento quántico del patrón de fluorescencia, Grad es la pendiente de la regresión lineal determinada para la representación gráfica entre el máximo de absorbancia y el área de intensidad de fluorescencia de la muestra, GradR es la pendiente de la regresión lineal determinada para el patrón de fluorescencia y n y nR son los índices de refracción de la disolución de la muestra y de la disolución del patrón de fluorescencia, respectivamente. A concentraciones diluidas puede considerarse el índice de refracción de la disolución como la del disolvente.

3.2.6.3 Resultados y discusión Compuesto (34), isómero para Las determinaciones del rendimiento cuántico del isómero para (34) se hicieron en diclorometano, considerando un índice de refracción de 1.4305. El antraceno se utilizó como patrón, en etanol, con un Φ = 0.27. El índice de refracción del etanol se tomó con un valor de 1.361. Se utilizó en el detector una rejilla de detección de 2 nm (Figura 3.58).

237

Figura 3.58. Rendimiento cuántico del compuesto (34)

Comparado con otros compuestos con una fluorescencia media (el antraceno

tiene un = 0.27), el compuesto (34) tiene una fluorescencia muy baja. Previamente se había observado una alta fluorescencia (intensidad 1004) a una concentración de 4.6 x 10-6 M (ver subcapítulo 3.2.3.2). Sin embargo el rendimiento cuántico determinado con disoluciones más diluidas es muy bajo. Esto sugiere que la fluorescencia observada en concentraciones más elevadas puede atribuirse a una agregación en el estado excitado. Al aumentar la dilución debe producirse una menor asociación, lo que se traduce en una disminución de la intensidad de la fluorescencia.

Sal de potasio del isómero para. Compuesto (47) Para obtener este compuesto se llevó a cabo la desprotonación con hidróxido de potasio en DMF. En la figura 3.59 se representa la intensidad de fluorescencia frente a la longitud de onda de emisión para las 7 disoluciones que se prepararon.

387 396 405

0

1000000

2000000

3000000

Inte

nsity

Wavelength (nm)

2.3 x 10m6 M

1.9 x 10m6 M

1.6 x 10m6 M

1.3 x 10m6 M

1.1 x 10m6 M

0.7 x 10m6 M

0.5 x 10m6 M

Compound (34)

+ KOH (DMF)

Figura 3.59. Intensidad frente a la de emisión. Isómero para con KOH/DMF. Compuesto (47).

La intensidad no varió en la forma esperada al aumentar la cantidad de base. El problema encontrado deriva de que la desprotonación con KOH es reversible. Al emplear un exceso de base el equilibrio se desplaza hacia el anión (47), y el color que aparece en la disolución se mantiene por un tiempo (2 h) y por tanto la fluorescencia. Finalmente desaparece el color al establecerse

238

el equilibrio y formarse el ácido conjugado (43). Este hecho se produce incluso cuando las diluciones se realizaron con una disolución de KOH en DMF. A la vista de este resultado se utilizó amiduro de sodio como base, que genera amoniaco en la reacción de desprotonación. Se siguió el procedimiento ya descrito, y se registraron las absorbancias en el intervalo 0.02, 0.04, 0.06, 0.08 y 0.10, a partir de las disoluciones correspondientes de la disolución patrón, empleando un exceso de la disolución de NaNH2/DMF (relación compuesto (34):NaNH2 (1:3)). Cuando se midió la fluorescencia, ahora sí se observó el comportamiento esperado (Figura 3.60).

560 640 720

0

400000

800000

Compound (34)

+ NaNH2 (DMF)

Inte

nsity

Wavelength (nm)

2.5 x 10m6 M

2.0 x 10m6 M

1.6 x 10m6 M

1.4 x 10m6 M

1.2 x 10m6 M

0.7 x 10m6 M

0.5 x 10m6 M

Figura 3.60. Representación de la fluorescencia del isómero para (34) a diferentes

concentraciones de base (NaNH2/DMF) en función de la de emisión.

En la figura 3.61 se muestra una correlación lineal en la representación del área de fluorescencia en función de la absorbancia.

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

18000000

20000000

22000000

24000000

26000000

28000000

30000000

32000000

34000000

36000000

B

A

B

Linear Fit of B

Figura 3.61. Área de fluorescencia en función de la absorbancia (compuesto (47)).

239

Con una correlación de r2 = 0.99 y una pendiente de 7.28299 x 108 para el compuesto (47) y para la referencia, el sulfato de quinina en 0.1 N H2SO4 con una correlación de r2 = 0.998 y una pendiente de 1.11288 x 109, se llega al rendimiento cuántico mostrado en la figura 3.62.

Figura 3.62. Rendimiento cuántico del compuesto (47)

El cambio en el rendimiento cuántico al pasar del compuesto (34) al (47) es notable. Se observó que el compuesto es estable en la disolución en DMF durante al menos 48 horas, posteriormente empieza a observarse cierta reversibilidad, ya que el amoniaco formado, aunque es un gas, es soluble en DMF, por lo que la desprotonación puede revertir. La emisión está en el intervalo del amarillo-rojo y se produce con una eficiencia del 33 %, por lo que podría ser útil como OLEDs, siendo un posible emisor en el amarillo (535-750 nm). El valor del rendimiento cuántico, es muy similar al que presenta el 3,6-[bis(4-fenil-2-quinolil)]-9-metilcarbazol (BPQ-MCZ) en CHCl3 (29 %) y que ha sido empleado para la fabricación de dispositivos electrónicos.215 El desplazamiento de Stokes se define como la diferencia de energía entre la longitud de onda más intensa en el espectro de absorción y la longitud de onda más intensa en el espectro de emisión.213 Este valor, representa la pérdida de energía que se produce frecuentemente en forma térmica y es debida a relajaciones de estados vibracionales y rotacionales, pero en ocasiones un valor del desplazamiento de Stokes anómalo es indicativo de procesos más complejos de pérdida de energía. En el compuesto (47), el desplazamiento de Stokes se determinó con respecto a los máximos de la banda de mayor energía de los espectros de emisión y los máximos de las bandas de absorción. Para el compuesto (47) el desplazamiento de Stokes es el orden de los 100 nm, que corresponde a 100000 cm-1 y la banda de emisión es ancha. Esto es característico, de la emisión por formación de excímeros intermoleculares, hecho que ha sido observado en muchos polímeros conjugados.210 Además, los sistemas que presentan efecto push-pull debido a la presencia de sustituyentes dadores y aceptores, suelen tener desplazamientos de Stokes altos. Estos valores, parecen indicar un alto grado de agregación de estos sistemas (Figura 3.63).

240

Figura 3.63. Efecto push-pull en el compuesto (47).

3.2.7 Conclusiones.

Todos los compuestos obtenidos, tanto en sus espectros de absorción como en los de emisión, no son la suma de los espectros de la diimina y la triazina, lo que confirma que existe una mayor conjugación entre el sistema diénico y la triazina.

Al hacer reaccionar los cuatro compuestos (34)-(36) y (41) en medio básico, se observan cambios importantes en sus propiedades optoelectrónicas, lo cual está relacionado con la diferente conjugación y deslocalización del anión formado. En los isómeros orto (36) y los dos para (34) y (41) se puede lograr una deslocalización efectiva de la carga en todo el sistema, sistema diénico, anillos bencénicos y anillos de triazina. Por el contrario en el isómero meta (35), la deslocalización solamente puede extenderse a lo largo del sistema diénico y los anillos bencénicos, permaneciendo el sistema de triazina independiente.

Las diferencias observadas entre los compuestos (34) y (41), así como en sus bases conjugadas, se puede explicar por la diferencia estructural que presentan los dos compuestos, ya que el grupo fenilo en posición 3 está homoconjugado con el sistema diénico, por lo que no aumenta la conjugación del sistema.

El compuesto (34) forma excímeros, esto es agregados moleculares. El mecanismo que sigue la formación de estos es del tipo isodésmico, esto es hay un incremento gradual en el número y longitud de las especies agregadas y se forman a bajas temperaturas, (o a concentraciones altas, o por constantes de asociación altas). En cuanto a las posibilidades de agregación, se tiene la evidencia de que se forman agregados-J. Es de esperar que para las otras bistriazinas unidas por un espaciador diénico (35)-(38) se observe el mismo comportamiento.

La emisión se da con una eficiencia del 33 % (rendimiento cuántico de 0.33) y cae dentro del intervalo del amarillo-rojo, por lo que podría presentar aplicaciones en OLEDs como emisor en el amarillo (535-750 nm). Dentro de este intervalo de emisión también se podría utilizar en células solares.

241

3.3 Cálculos teóricos 3.3.1 Objetivos Se abordó el estudio conformacional de la serie de compuestos sintetizada en el capítulo 6 de esta Memoria con el objetivo de poder justificar su estructura, confirmar si estaban de acuerdo con los resultados obtenidos por resonancia magnética nuclear, así como si estaban de acuerdo con las propiedades optoelectrónicas mostradas por estos compuestos en espectroscopia UV-visible.

3.2.2 Resultados y discusión Estudio conformacional de los isómeros orto, meta y para de perclorato de 1,5-bis[(2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio Se estudiaron las propiedades de los compuestos neutros, percloratos y sales potásicas. Por tanto, inicialmente se optimizaron estas estructuras y se analizaron los orbitales moleculares frontera de las tres series de compuestos con el fin de obtener información sobre su diferente comportamiento en UV-visible. Para ello se siguió el mismo estudio sistemático empleado y las estructuras base estudiadas en el capítulo 2, subcapítulo 2.2.5. Sobre las estructuras básicas más estables (Figura 3.64) se introdujeron los anillos de diaminotriazinas (Figura 3.65).

Figura 3.64. Estructuras más estables determinadas en el capítulo 3.5

N

H

H

Y

H

N

H

N

N

N

N

ESPACIADOR

TRIAZINA

X

(34) para, Y = H, X = BF4 (35) meta, Y = H, X = BF4

(36) orto, Y = H, X = BF4

NN

NH2

NH2NH2

H2N

(38) para, Y = Cl, X = PF6

Figura 3.65. Estructura general compuestos sintetizados en el capítulo 3 de esta Memoria.

Isómero para (34) Inicialmente se optimizaron el compuesto neutro, el percloraro y la sal potásica del isómero para (34). Para ello, se tomaron como modelos el isómero más estable en configuración de herradura (isómero 6) y el más estable en configuración W (isómero 1) (Figura 3.66).

242

a)

Isómero para-1b Isómero para-6b

Fase gaseosa E = 5.46 Kcal/mol E = 0.00 Kcal/mol

DMF E = 2.29 Kcal/mol E = 0.00 Kcal/mol

b)

Perclorato Isómero para-1b Perclorato Isómero para-6b



c)

Sal potásica Isómero para-1b Sal potásica Isómero para-6b

Fase gaseosa E = 14.53 Kcal/mol

a = 3.0 Å E = 0.00 Kcal/mol

a = b = 2.6 Å

DMF E = 0.979 Kcal/mol a = 2.8 Å

E = 0.00 Kcal/mol a = b = 2.8 Å

Figura 3.66. Estructuras de los isómeros del isómero para (34). (a) Compuestos neutros, (Isómero 1c y 6c), (b) sales de perclorato y (c) sales potásicas, con la configuración W y de herradura, en fase gas y en disolución (DMF).

Los resultados recogidos en la Figura 3.66, indican que el isómero más estable del compuesto (34) neutro es la estructura en forma de herradura tanto en fase gaseosa como en disolución (isómero para-6b). La formación de un quelato interno de 6 eslabones justifica este hecho. Este hecho está de acuerdo con los datos obtenidos por RMN para derivados de p-toluidina previamente descritos en nuestro grupo.38 En la sal potásica la forma de herradura está también favorecida ya que el catión potasio forma también un quelato interno, aunque la diferencia de energía en disolución es muy pequeña (0.979 Kcal/mol). Esta tendencia es distinta en el caso del perclorato. Si bien, en fase gaseosa la estructura en forma de herradura es la más estable, en disolución pasa a ser la estructura en forma de W. Si se compara con los resultados obtenidos por 1H-RMN, puede observarse que en los percloratos se observa siempre una 3Jtrans entre los protones del doble enlace, lo que está de acuerdo con los resultados computacionales. En las sales potásicas, se observa también una 3Jtrans entre los protones del doble enlace lo que estaría de acuerdo con la estructura para-1b. El compuesto neutro no se ha aislado ni se ha podido determinar la

243

constante de acoplamiento cis por 1H-RMN (véase capítulo 3.2.4), sin embargo, como se ha indicado anteriormente los resultados computacionales están de acuerdo con resultados previos. Determinación del volumen compuesto (43). Con el fin de determinar el volumen del compuesto (43) para la estimación del grado de agregación en los experimentos DOSY (subcapítulo 3.2.2.4), se llevó a cabo el cálculo del volumen teórico basándonos en la estructura optimizada en presencia de DMSO como disolvente. El radio de la molécula calculado es de 5.61 Å, y volumen molar 2834,619 bohr3/mol (252.958 cm3/mol). Topología de los orbitales frontera (HOMO-LUMO) A continuación, se analizó la topología de los orbitales moleculares frontera y se calculó la energía de los mismos para los compuestos con configuración en forma de W y de herradura: isómero 1c, perclorato de 1c y sal potásica 1c, tanto en fase gaseosa como en disolución (DMF) (Figuras 3.67-3.78).

FASE GASEOSA

HOMO LUMO

Energía= - 6.047 eV Energía= -2.548 eV

Band Gap = + 3.499 eV Figura 3.67. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del perclorato del isómero para-1b, en fase gaseosa.

FASE GASEOSA

HOMO LUMO

Energía= - 2.501 eV Energía= + 0.103 eV

Band Gap = + 2.604 eV Figura 3.68. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del isómero para-1b, en fase gaseosa.

244

FASE GASEOSA

HOMO LUMO

Energía = -1.562 eV Energía = - 2.687 eV

Band Gap = + 1.265 eV Figura 3.69. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera de la sal potásica del isómero para-1b, en fase gaseosa.

DMF

HOMO LUMO

Energía = - 6.02 eV Energía = - 2.05 eV

Band Gap = + 3.97 eV Figura 3.70. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del perclorato del isómero para-1b, en disolución (DMF).

245

DMF

HOMO LUMO

Energía = -5.350 eV Energía = -1.830 eV

Band Gap = + 3.520 eV Figura 3.71. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del isómero para-1b, en disolución (DMF).

DMF

HOMO LUMO


Band Gap = + 3.226 eV Figura 3.72. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera de la sal potásica del isómero para-1b, en disolución (DMF).

246

FASE GASEOSA

HOMO LUMO


Band Gap = + 3.316 eV Figura 3.73. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del perclorato del isómero para-6b, en fase gaseosa.

FASE GASEOSA

HOMO LUMO


GAP = + 2.508 eV Figura 3.74. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del isómero para-6b, en fase gaseosa.

247

FASE GASEOSA

HOMO LUMO


Band Gap = + 0.979 eV Figura 3.75. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera de la sal potásica del isómero para-6b, en fase gaseosa.

DMF

HOMO LUMO


Band Gap = + 3.419 eV Figura 3.76. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del perclorato del isómero para-6b, en disolución (DMF).

248

DMF

HOMO LUMO


Band Gap = + 3.405 eV Figura 3.77. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del isómero 6c, en disolución (DMF).

DMF

HOMO LUMO


Band Gap = +3.046 eV Figura 3.78. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera de la sal potásica del isómero 6c, en disolución (DMF).

Desde el punto de vista de la topología (Figuras 3.67 a 3.78) puede deducirse que la distribución de los coeficientes es similar en las configuraciones de tipo herradura y de W, siendo similares, también en disolución y en fase gaseosa.

249

En cuanto a la topología de los orbitales moleculares frontera HOMO, cabe destacar que:

La distribución es similar en el compuesto neutro, la sal potásica y el perclorato.

Es simétrico, observándose un plano de simetría que pasa por el carbono central del sistema diénico, que presenta el mayor coeficiente.

Los mayores coeficientes se encuentran en la cadena diénica, después en anillo bencénico y más pequeños en el anillo de triazina.

En los anillos de triazina se observan nodos en los carbonos así como en los grupos amino primarios.

Del mismo modo, en cuanto a la topología de los orbitales moleculares frontera LUMO, cabe destacar que:

Se observan mayores diferencias entre el compuesto neutro, la sal potásica y el perclorato.

Es simétrico, observándose un eje de simetría que pasa por el carbono central del sistema diénico. Este carbono presenta un nodo.

Se observan mayores coeficientes en la cadena y el fenilo del perclorato, pero aumentan en el anillo de triazina al pasar al compuesto neutro y sobre todo en la sal potásica.

Se observa una mayor conjugación especialmente en el compuesto neutro y en la sal potásica.

A continuación, se analizan los valores de energía. En las Tabla 3.13 se recogen los valores de energía de los Band Gap calculados tanto en fase gas como en disolución (DMF).

a) Band Gap (eV)

Isómero 1c (W) Fase gaseosa DMF

Perclorato + 3.50 + 3.97

Compuesto neutro + 2.60 + 3.52

Sal potásica + 1.27 + 3.23

b)

Isómero 6c (herradura) Fase gaseosa DMF



Sal potásica + 0.98 + 3.05

c)

Isómeros más estables Fase gaseosa DMF



Sal potásica + 0.98 + 3.05 Tabla 3.13. Comparación entre la energía de los Band gap (EHOMO-ELUMO) de los isómeros a) 1c; b) 6c y c) Isómeros más estables (perclorato, compuesto neutro y sal potásica).

De los datos recogidos en las Tabla 3.13 cabe destacar que no existe una diferencia energética significativa entre el Band Gap que presentan los isómeros en la configuración de herradura y la W. Sorprendentemente, en el caso del perclorato no existen diferencias entre estos valores en fase gaseosa y en disolución. Por el contrario, sí se observan diferencias energéticas apreciables en el caso del compuesto neutro o la sal potásica; siendo mayor el valor encontrado en disolución. Con el fin de justificar el comportamiento optoelectrónico de estos compuestos, en la tabla 3.13c se recogen los valores de energía entre los orbitales HOMO-LUMO de las especies involucradas en la reacción ácido-base, en su

250

configuración más estable. Así el menor valor de Band Gap de la sal potásica (3,05 eV en DMF y 0,98 eV en fase gaseosa) justifica su mayor absorbancia. Esto implica que un electrón del anión necesitará un fotón con menos energía para pasar del orbital HOMO al LUMO (véase capítulo 3.2.4). Con estos datos no se puede prever el comportamiento fluorescente de estos compuestos. En estos momentos se están llevando a cabo estudios computacionales dependientes del tiempo (TD) con el fin de justificar la fluorescencia presentada por la sal potásica. Estudio conformacional del perclorato de 3-(-4’-(n-dodeciloxifenil)-1,5-diaza-1,5-bis(4-(6-(2,4-diamino-1,3,5-triazinil)fenil)-1,3-pentanodienio (49) Para el cálculo computacional del compuesto (49) se tomaron como base las estructuras más estables optimizadas del compuesto (34). Al igual que en los casos anteriores se optimizaron los isómeros 1 y 6, que corresponden al isómero más estable en la configuración de W y de herradura respectivamente, tanto para el compuesto neutro, como para el perclorato y la sal potásica, en fase gaseosa y en disolución (DMF). Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 3.79. Se observa que en el compuesto (49) y en su sal potásica la configuración más estable es la de herradura tanto en fase gaseosa como en disolución, mientras que en el perclorato la configuración más estable es la de W, aunque en la sal potásica la diferencia es muy pequeña en disolución. Este resultado es similar a lo observado en el compuesto (34) y nuevamente estaría de acuerdo con los datos de 1H-RMN (subcapítulo 3.2.2.3).

251

a)

Isómero para-1c Isómero para-6c



b)

Sal perclorato Isómero para-1c Sal perclorato Isómero para-6c



c)

Sal potásica Isómero para-1c Sal potásica Isómero para-6c


DMF E = 0.47 Kcal/mol E = 0.00 Kcal/mol Figura 3.79. Valores de energía en Kcal/mol los isómeros 1d y 6d, (a) compuesto neutro, (b) perclorato y (c) sal potásica del compuesto (49) en fase gaseosa y en disolución (DMF), referenciado respecto al isómero más estable.

Asimismo, se hicieron los cálculos para determinar la topología y la energía de los orbitales moleculares frontera HOMO y LUMO del compuesto (49), su sal potásica y su perclorato. En base a la experiencia con el compuesto (49), solo se hicieron los cálculos con disolvente (DMF), debido a la diferente topología que presentaba el orbital LUMO en fase gas y disolución. Cabe recordar que en fase gas el LUMO estaba centrado en el átomo de potasio y en disolución estaba disperso en toda la molécula (Figuras 3.80 a 3.85).

252

DMF

HOMO LUMO


Band Gap = + 3.321 eV

Figura 3.80. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del perclorato del isómero 1d, en disolución (DMF).

DMF

HOMO LUMO



Figura 3.81. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del isómero 1d, en disolución (DMF).

253

DMF

HOMO LUMO


Band Gap = + 2.771 eV Figura 3.82. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera de la sal potásica del isómero 1d, en disolución (DMF).

DMF

HOMO LUMO



Figura 3.83. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del perclorato del isómero 6d, en disolución (DMF).

254

DMF

HOMO LUMO

Energía = - 5.099 eV Energía = - -2.005 eV


Figura 3.84. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera del isómero 6d, en disolución (DMF).

DMF

HOMO LUMO

Energía = - 4.429 Energía = - 1.615


Figura 3.85. Topología y energía de los orbitales moleculares frontera de la sal potásica del isómero 6d, en disolución (DMF).

255

Analizando la topología de los orbitales moleculares, se pueden deducir las siguientes conclusiones: En general sigue la misma pauta que el compuesto (34), sin fenilo. Se confirma que la introducción del fenilo disminuye la conjugación. El grupo fenilo está girado 102º respecto al sistema diénico, mientras que las dos partes del sistema diénico forman un ángulo de 1.63º entre ellas (en el caso del compuesto (34) el ángulo que se forma es de 1.45°, por lo que prácticamente ambas moléculas son planas). Es destacable que en el LUMO los coeficientes en el anillo bencénico y la cadena alquílica son nulos. Los valores de energía del Band Gap se encuentran recogidos en la tabla 3.14.

DMF Band Gap (eV)

Especie Isómeros (W) Isómero

(Herradura) Isómero más

estables

Sal ClO4- + 3.32 + 3.00 + 3.32

Compuesto neutro

+ 3.37 + 3.10 + 3.10

Sal potásica + 2.77 + 2.81 + 2.81 Tabla 3.14. Comparación entre la energía de los Band gap (EHOMO-ELUMO) de los isómeros 1d y 6d (perclorato, compuesto neutro y sal potásica).

Al igual que en el caso anterior no se observan diferencias significativas en el valor de Band Gap entre los isómeros 1d y 6d. El valor energético menor lo presenta la sal potásica, lo cual justifica su mayor absorbancia. Isómero meta (35) Se abordó el estudio conformacional del isómero meta (35), siguiendo la misma aproximación empleada para el isómero para. Así se consideraron los 4

rotámeros posibles: denominados (,), (,β), (β,α) y (β,β) de los isómeros 1 y 6 (Figuras 3.86 y 3.87).

Isómero meta-1d (,) Isómero meta-1d (,β)


Disolvente (DMF) E = 0.000 Kcal/mol E = 0.144 Kcal/mol

Isómero meta-1d (β,α) Isómero meta-1d (β,β)



Figura 3.86. Valores de energía en Kcal/mol los isómeros meta-1d, en fase gaseosa y en disolución (DMF), referenciados al isómero más estable.

256

Isómero meta-6d (,) Isómero meta-6d (,β)



Isómero meta-6d (β,α) Isómero meta-6d (β,β)



Figura 3.87. Valores de energía en Kcal/mol los isómeros meta-6d, en fase gaseosa y en disolución (DMF), referenciados al isómero más estable.

Del mismo que el isómero para (34), la configuración más estable corresponde a la de herradura, existiendo una diferencia de 2 a 3 Kcal/mol. Por el contrario, en este caso la diferencia energética entre los diversos rotámeros es muy pequeña, en ambas configuraciones. Por tanto, no es posible determinar cuál es el isómero más estable, debiendo existir una rápida interconversión entre unos rotámeros y otros. Un análisis exhaustivo de las estructuras obtenidas permite observar que en los isómeros meta, con el fin de disminuir las repulsiones estéricas, las estructuras se torsionan y no son tan planas como en el caso del isómero para. Esto justifica las pequeñas diferencia energéticas encontradas en los diferentes rotámeros. A modo de ejemplo, en la Figura 3.88 se compara el isómero para-1b y el isómero meta-1c (α,α).

Figura 3.88. Comparación entre las estructuras del isómero para-1b y el isómero meta-1c (α,α).

257

Isómero orto (36) Finalmente se abordó el estudio del isómero orto (36), siguiendo el mismo esquema detallado anteriormente. Los resultados obtenidos se encuentran recogidos en las Figuras 3.89 y 3.90.

Isómero orto-1e (,) Isómero orto-1e (,β)


Disolvente (DMSO) E = 11.26 Kcal/mol E = 8.67 Kcal/mol

Isómero orto-1e (β,α) Isómero orto-1e (β,β)



Figura 3.89. Valores de energía en Kcal/mol los isómeros orto-1e, en fase gaseosa y en disolución (DMSO), referenciados al isómero más estable.

Isómero orto-6e (,) Isómero orto-6e (,β)



Isómero orto-6e (β,α) Isómero orto-6e (β,β)



Figura 3.90. Valores de energía en Kcal/mol los isómeros orto-6e, en fase gaseosa y en disolución (DMSO), referenciados al isómero más estable.

258

En este caso, la configuración en herradura vuelve a ser la más estable, tanto en fase gaseosa como en disolución. Si bien, cabe destacar que en DMSO esta diferencia es de tan solo 1.17 Kcal/mol. Los datos de energía recogidos en las Figuras 3.89 y 3.90, indican que en ambas configuraciones las diferencias energéticas entre los rotámeros son muy grandes, existiendo dos rotámeros

que presentan una mayor estabilidad, el (β,β) y el (β,) en el caso del isómero

1, y el (,β) y el (,) en el caso del isómero 6, (Figura 3.91). Un análisis de las estructuras optimizadas permite observar que en ambos isómeros los rotámeros más estables tienen una parte de la molécula totalmente plana y otra muy torsionada. La formación de puentes de hidrógeno intramoleculares entre el N-H del sistema diénico y un nitrógeno del anillo de triazina justifican esta planaridad. a)

isómero (β,β) compuesto orto-1e isómero (,) compuesto orto-1e

b)

Figura 3.91. Estructuras isómero (β,β) compuesto orto-1e e isómero (,) compuesto orto-1e. Estructuras obtenidas con (a) ChemDraw, (b) GaussView.

A continuación, se optimizó el perclorato del isómero más estable. En este caso, el anión se coloca entre los dos anillos de diaminotriazina, observándose la formación de puentes de hidrógeno entre dos oxígenos del perclorato y dos grupos amino, isómeros W (Figura 3.92) e isómeros herradura (Figura 3.93).

259

Isómero orto-1e (β,α)

ClO4- por abajo

Isómero orto-1e (β,α) ClO4

- por arriba


Isómero orto-1e (β,β) ClO4

- por abajo


- por arriba


Figura 3.92. Valores de energía en Kcal/mol. Sal perclorato de los isómeros orto-1e, en disolución (DMSO), con las dos posibilidades de posición del contra anión, referenciados al isómero más estable.

Isómero orto-6e (,)

ClO4- por abajo

Isómero orto-6e (,) ClO4

- por arriba


Isómero orto-6e (β,β)

ClO4- por abajo


- por arriba


Figura 3.93. Valores de energía en Kcal/mol. Perclorato de los isómeros orto-6e, en disolución (DMSO), con las dos posibilidades de posición del contra ion, referenciados al isómero más estable.

260

3.3.3 Conclusiones En el presente capítulo se ha realizado un estudio computacional “ab initio” a nivel B3LYP/6-31G* tanto en fase gaseosa como en disolución, con el fin de determinar los isómeros más estables de algunos compuestos sintetizados en la presente memoria. Los aspectos más destacados son los siguientes:

En los compuestos neutros y las sales potásicas estudiados se ha determinado que la configuración más estable es la de herradura. Por el contrario, en las sales de hexafluorofosfato o perclorato, la configuración más estable es la W.

Se ha demostrado que la formación de puentes de hidrógeno intramoleculares juega un papel importantísimo en la estabilidad de estas estructuras.

Estos dos aspectos han permitido comprender y corroborar algunos datos obtenidos por 1H-RMN.

Se eligió el isómero para como modelo para hacer un análisis de la topología y la energía de los orbitales moleculares frontera, con el fin de justificar el comportamiento optoelectrónico de estos compuestos.

Comparando el Band Gap de los percloratos, compuestos neutros y la sal potásica, se observa que esta última posee el menor valor, lo cual justifica su mayor absorción en UV-Visible.

En todas las especies se observa que el orbital LUMO presenta una mayor distribución de la densidad electrónica a lo largo de toda la molécula. Por su parte, el orbital HOMO presenta una mínima densidad electrónica en los anillos de triazina.

261

CAPÌTULO 3. 3.3 PARTE EXPERIMENTAL

262

3.3.1 Equipos utilizados. Los equipos utilizados se describen en el subcapítulo 2.3. 3.3.2 Síntesis de bistriazinas 3.3.2.1 Preparación de 2,4-diamino-6-(aminofenil)-1,3,5-triazinas isómeras. 2,4-Diamino-6-(4-aminofenil)-1,3,5-triazina (30) Procedimiento general. En un matraz de microondas, provisto de un agitador magnético, se colocaron 1.772 g (15 mmol) de p-aminobenzonitrilo, 1.261 g (15 mmol) de cianoguanidina y 0.168 g de hidróxido de potasio en 5 mL de dimetilsulfóxido. Al matraz se le adaptó un refrigerante de reflujo. Las condiciones bajo las cuales procedió la reacción en el reactor de microondas fueron: 130°C, 45 min y 70 W. Al acabar la reacción se adicionaron 30 mL de agua y se sonicó por 20 min. A la mezcla resultante se le adicionaron 150 mL de agua caliente y se filtró. El filtrado se dejó enfriar y los cristales resultantes se aislaron por filtración a vacío. Se obtuvieron 1.618 g (75 %) del producto cristalizado. P.f. 199.9–201.8 °C.

IR ( , cm-1) 3700, 2980, 1734, 810


5.57, s, 2H NH2


6.54, d, J = 8.5 Hz, 2H, H3’,5’

7.96, d, J = 8.5 Hz, 2H, H2’,6’



112.82 C3’5’

123.95 C1’

129.42 C2’,6’

151.83 C4’

167.27 C2,4

170.36 C6

EM (IE-TOF). Calculado para C9H10N6: m/z 202.0967. Encontrado:

m/z Abundancia

203 11.1

202 100.0

201 37.8

159 5.6

126 12.7

118 16.7

91 0.6

263

2,4-Diamino-6-(3-aminofenil)-1,3,5-triazina (31) Se siguió el mismo procedimiento que para el compuesto (30). Se utilizaron 1.772 g (15 mmol) de m-aminobenzonitrilo, 1.261 g (15 mmol) de cianoguanidina y 0.168 g de KOH en 5 mL de DMSO. Las condiciones bajo las cuales procedió la reacción fueron: 130°C, 30 min, 70 W. Se obtuvieron 2.003 g (93%) del producto cristalizado. P.f. 214.9–216.3 °C.

IR ( , cm-1) 3700, 2980, 1738, 1634, 918, 797


5.11, s, 2H NH2


6.67, d, J = 7.7 Hz, 1H H6’

7.07, t, J = 8.1 Hz y J = 7.7 Hz, 1H H5’

7.42, d, J = 7.7 Hz, 1H H4’

7.47, s, 1H H2’



113.42 C2’

115.84 C6’

116.74 C4’

128.59 C5’

137.86 C1’

148.50 C3’

167.45 C2,4

171.02 C6


m/z Abundancia

203 6.2

202 100.0

201 37.8

159 6.7

119 8.9

118 11.1

91 5.6

2,4-Diamino-6-(2-aminofenil)-1,3,5-triazina (32) Se siguió el mismo procedimiento que para el compuesto (30). Se utilizaron 1.772 g (15 mmol) de o-aminobenzonitrilo, 1.261 g (15 mmol) de cianoguanidina y 0.168 g de hidróxido de potasio en 5 mL de dimetilsulfóxido. Las condiciones bajo las cuales procedió la reacción fueron: 130°C, 15 min, 70 W. Al acabar la reacción se adicionaron 30 mL de agua y se sonicó por 20 min. A la mezcla resultante se le adicionaron 150 mL de agua caliente y se filtró. El filtrado se dejó enfriar y los cristales resultantes se aislaron por filtración a vacío. Se obtuvieron 2.582 g de producto crudo. El producto (32) se separó de la impureza (33) por medio de una cromatografía en columna de gel de sílice

264

utilizando como eluyente hexano-acetato de etilo 95:5 y gradiente hasta 70:30. Se obtuvieron 1.978 g (92 %). P.f. 173.7–176.6 °C.

IR ( , cm-1) 3680, 2980,1666, 1606, 756


6.45, t, J = 6.6 Hz, J = 7.1 Hz, 1H H5’

6.65, d, J = 7.9 Hz, 1H H6’


7.07, t, J = 6.6 Hz,1H H4’


8.16, d, 7.0 Hz, 1H H3’


114.26 C5’

115.93 C1’

116.54 C3’

130.14 C6’

131.65 C4’

150.67 C2’

166.50 C2,4

171.74 C6


m/z Abundancia

203 11.1

202 100.0

185 8.9

161 20.0

118 23.3

91 11.1

La 2-amino-N-(2-cianofenil)-benzimidamida (33) fue la primera fracción en salir en la cromatografía en columna. De 2.582 g del producto crudo se aislaron 0.369 g (10 %), el cual no llegó a cristalizar, siendo una pasta de color café.

265

IR ( , cm-1) 3354, 3198, 1738, 1539, 750


6.55, ddd, J = 8.1, 7.0 1,2 Hz, 1H H5

6.74, dd, J = 8.1, 1.0 Hz, 1H H3

7.10, ddd, J = 8.1, 7.0, 1.7 1H H4


7.42, ddd, J = 6.6, 8.1, 1.5 Hz, 1H H4’

7.70, dd, J = 8.3, 0.8, 1H H6’

7.74, ddd, J = 8.3, (6.69, 1.4, 1H H5’


8.20, dd, J = 8.2, 0.8 Hz, 1H H3’

8.40, dd, J = 8.0, 1.6 Hz, 1H H6


112.34 C1

114.37 C5

116.38 C3

117.96 CN

123.47 C3’

124.65 C4’

127.08 C6’

130.54 C4

130.60 C6

132.88 C5’

149.52 C2’

149.89 C2

161.05 C1’

161.97 C=N


m/z Abundancia

237 16

236 100

118 46

91 10

3.3.2.2 Introducción del espaciador. Tetrafluoroborato de 1,5-bis[4-(-(2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (34) Procedimiento general.37 Bajo atmósfera de Argón, en un matraz de 100 mL, provisto de un agitador magnético y al cual se le adaptó un refrigerante de reflujo, se colocaron 0.5 g (2.47 mmol) del compuesto (30), 500 µL (0.498 g, 3.04 mmol) de 1,1,3,3-tetrametoxipropano, 500 µL de ácido tetrafluorobórico en éter etílico (0.59 g, 3.64 mmol) y 50 mL de etanol anhidro. La mezcla de reacción se calentó a reflujo (100°C) durante 10 min. Al terminar el tiempo de reacción se dejó enfriar y se aisló el producto por filtración a vacío. Se

obtuvieron 0.653 g (100 %). P.f. 231.8–234.5C con descomposición (alcohol isopropílico).

266

IR ( , cm-1) 3647, 2980, 1734, 1697, 1007, 981, 791


6.29, t, J = 11.5 Hz, 1H H3


7.47, d, J = 8.8 Hz, 4H H2’,6’

8.30, d, J = 8.8 Hz, 4H H3´,5’

8.87, t ancho, J = 12.6 Hz, 2H H2,4

12.3, d ancho, J = 13.7 Hz, 2H N-H

13C-RMN (ppm) (100MHz, DMSO-d6):

99.92 C3

117.31 C2’,6’

129.64 C3’,5’

141.12 C1’

159.08 C2,4

164.90 C6’’

167.73 C2’’,4’’


m/z Abundancia

443.115 1

442.090 18

441.073 100

Tetrafluoroborato de 1,5-bis[3-((2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]1,5-diaza-1,3-pentanodienio (35) Se siguió el procedimiento general utilizado con el compuesto (34). Se utilizaron 0.5 g (2.47 mmol) de compuesto (31), 500 µL (0.498 g, 3.04 mmol) de 1,1,3,3-tetrametoxipropano, 500 µL de ácido tetrafluorobórico en éter etílico (0.59 g, 3.64 mmol) y 50 mL de etanol anhidro. Se calentó a reflujo por 30 min.

Se obtuvieron 0.653 g (100 %). P.f. 242–244 C (con descomposición) (alcohol isopropílico).

267

IR ( , cm-1) 3647, 2980, 1748, 1065, 974, 785


6.27, t, J = 11.5 Hz, 1H H3

7.64, d, J = 7.9 Hz, 2H H4’

7.72, t, J = 8.1 Hz, 2H H5


8.04, d, J = 7.9, 2H H6’

8.09, s, 2H H2’

8.87, dd, J= 12.0, 13.0 Hz, 2H H2,4

12.30, d, 13.7 Hz, 2H N-H


99.26 C3

117.48 C2’

121.12 C4’

125.59 C6’

130.49 C5’

138.87 C3'

159.19 C1’

162.66 C2,4

167.79 C6’’

169.84 C2’’,4’’


m/z Abundancia

443.168 19

442.151 18

441.127 100

Tetrafluoroborato de 1,5-bis[(2-(2,4-diamino)-1,3,5-triazin-6-il)fenil]1,5-diaza-1,3-pentanodienio (36) Se siguió el procedimiento general para obtener el compuesto (34). Se utilizaron 0.5 g (2.47 mmol) del compuesto (31), 500 µL (0.498 g, 3.04 mmol) de 1,1,3,3-tetrametoxipropano, 500 µL de ácido tetrafluorobórico en éter etílico (0.59 g, 3.64 mmol) y 25 mL de etanol anhidro. El calentamiento a reflujo fue por 120 min. El producto se lavó con acetona. Se obtuvieron 0.37 g (57 %). P.f.

239.2–242.3 C (con descomposición).

268

IR ( , cm-1) 3734, 3647,1749, 1681, 1022, 768


7.02, t, J = 11.4 Hz, 1H H3



7.39, quint, sistema ABCD, 1H H4’

7.7, pseudod, sistema ABCD, 4H H5’,6’

8.49, d, sistema ABCD, J = 7.8, 2 H H3’

9.0, t ancho, J = 11.7 Hz, 2H H2,4



102.55 C3

116.59 C6’

123.20 C2’

125.97 C4’

130.98 C3’

133.45 C5’

139.63 C1’

158.45 C2,4

165.95 C2’’,4”

169.55 C6’’


m/z Abundancia

443.203 3

442.173 20

441.112 100

3.3.2.2.1 Introducción del espaciador, con cloro en la posición 3.

Hexafluorofosfato de 3-cloro-1,5-bis[4-(6’-(2’,4’-diamino)-1,3,5-triazinil)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (37) Procedimiento general:43 En un matraz de 100 mL, provisto de un agitador magnético y al cual se le adapta un refrigerante de reflujo, se colocaron 0.1 g (0.495 mmol) de compuesto (30), 0.0779 g (0.254 mmol) de compuesto (17) y

250 L de ácido tetrafluorobórico en éter etílico y se adicionaron 25 mL de etanol absoluto. La mezcla de reacción se calentó a reflujo (92 °C) durante 3.5 horas. Se aisló el producto por filtración a vacío y se lavó con acetato de etilo.

Se obtuvieron 0.046 g (15 %). P.f. 237.6-240 C con descomposición.

269

IR ( , cm-1) 3700, 1748, 1734, 1645, 1389, 1157, 812




7.18, d, J = 8.5 Hz, 2H H2’,6’

7.41, d, J = 8.8 Hz, 2H H2’’’,6’’’

8.20, d, J = 8.5 Hz, 2H H3’’’,5’’’

8.24, d, J = 8.5 Hz, 2H H3’,5’

8.29, d, J = 12.6 Hz, 1H H2

8.39, s, 1H H4

9.53, d, J = 12.6 Hz, 1H N-H


107.83 C3

115.16 C3’,5’

120.54 C3’,5’

128.75 C3’,5’

129.04 C3’,5’

130.71 C4’

133.24 C4’’

139.70 C1’

143.39 C1’

154.53 C2,4

156.76 C2,4

167.31 C6”

167.36 C6”

169.55 C2’’,4’’

169.80 C2’’,4’’


m/z Abundancia

477.025 44

476.026 39

475.044 100

441.976 17

438.950 21

270

Hexafluorofosfato de 3-cloro-1,5-bis[3-(6’-(2’,4’-diamino)-1,3,5-triazinil)fenil]-1,5-diaza-1,3-pentanodienio (38) Se siguió el procedimiento general del compuesto (37). Se utilizaron 0.1 g (0.495 mmol) de compuesto (31), 0.0779 g (0.254 mmol) de compuesto (17) y

250 L de ácido tetrafluorobórico en éter etílico. Se adicionaron 25 mL de etanol absoluto. La mezcla de reacción se calentó a reflujo (92 °C) durante 4 horas. El disolvente se eliminó por evaporación a presión reducida. El producto

se lavó con acetato de etilo. Se obtuvieron 0.127 g (83 %). P.f. 222–225 C con descomposición.

IR ( , cm-1) 3750, 3607, 1749, 1647, 1029, 818


6.77, m, 8H NH2

7.45, s ancha, 4H H4’,5’

8.01, s ancho, 2H H6’

8.37, s ancha, 2H H2’

8.56, s ancha, 2H H2,4

11.93, s ancha, 2H 2 x NH


m/z Abundancia

477.179 39

476.174 20

475.174 100

443.080 3

442.084 5

441.091 29

3.3.2.2.2 Introducción del espaciador, con el grupo 4-(n-dodeciloxi)fenil en la posición 3. Obtención del perclorato de 3-(-4’-(n-dodeciloxifenil)-1,5-diaza-1,1,5,5-tetrametil-1,3-pentano-dienio (40). Ácido 4’-(n-dodeciloxifenil)acético (39) En un matraz de 100 mL provisto de agitador magnético y al cual se le adapta un refrigerante de reflujo, se adicionaron 1.5 g (9.86 mmol) de ácido p-hidroxifenilacético, 2.258 g (2.2 mL, 9.1 mmol) de bromuro de dodecilo, 1.106 g de hidróxido de potasio, en presencia de etanol (50 mL). La mezcla de reacción se calentó a reflujo por 20 horas. Después de enfriar, se adicionó más hidróxido de potasio (0.558 g) y la mezcla de calentó a reflujo por 2 horas más. Al finalizar el tiempo de calentamiento, y después de dejar enfriar, la mezcla se aciduló con ácido clorhídrico 2M. Después de adicionar agua (100 mL), la disolución se filtró a vacío. El producto se aisló por medio de una extracción líquido-líquido con éter dietilico. La fase etérea se secó con sulfato de

271

magnesio anhidro. El disolvente se eliminó por evaporación a vacío a 25 C. Se

obtuvieron 2.203 g (76 %) de hojuelas de color blanco. P.f. 72.6-73.6 C (78-79

C).41

O

OH

O

121'

2'

3'

4'5'

6'

1''

2''

3''

4''

5''

6''

7''

8''

9''

10''

11''

12''


0.85, t, J = 7.3 Hz, 3H H12’’

1.24 m, 18H H11’ a 4’’

1.39, m, 2H H3”

1.68, quint, J = 7.2 Hz, 2H H2’’

3.46, s, 2H H2

3.92, t, J = 6.6 Hz, 2H H1’’

6.84, dd, J = 8.4 Hz, 2H H2’,6’

7.14, dd, J = 8.4 Hz, 2H H3’,5’

Perclorato de 3-(-4’-(n-dodeciloxifenil)-1,5-diaza-1,1,5,5-tetrametil-1,3-pentano-dienio (40). Se siguió la técnica ya descrita.41 El reactivo de Vilsmeier se preparó de la siguiente manera:210 en un matraz de dos bocas de 25 mL, provisto de un agitador magnético y al cual se adapta un refrigerante de reflujo, una trampa de cloruro de calcio y un septum, se colocan 1.140 g (1.22 mL, 15.6 mmol) de DMF. El matraz se coloca dentro de un baño de hielo, y a una temperatura de 4

C, se van adicionando lentamente, 1.422 g (0.9 mL, 9.27 mmol) de cloruro de

fosforilo, de tal manera que se controle la temperatura a 4 C. Después de adicionar el cloruro de fosforilo, la mezcla de reacción se dejó bajo agitación por 2 horas a la misma temperatura. Ya preparado el reactivo de Vilsmeier, se adicionaron 1.002 g (3.127 mmol) de ácido p-(dodeciloxi)fenilacético, en

pequeñas porciones y manteniendo la temperatura a 4 C. Una vez que se terminó la adición de ácido p-(dodeciloxi)-fenilacético, la mezcla se calentó a

80–90 C por 13 horas. Después de dejar enfriar, la mezcla se vertió en un baño hielo-agua (50 mL). Sobre la mezcla anterior se adicionaron, lentamente y bajo agitación, 0.425 g de perclorato de sodio. Terminada la adición, la mezcla se dejó bajo una agitación vigorosa por 2 horas. El precipitado se aisló por medio de una filtración a vacío y se lavó con agua y éter. Se obtuvieron 1.037 g

(68 %) de producto puro. P.f. 101.7-102.7 C (101-102 C). 41

O

H

N

H

H3C CH3

N

CH3

CH3

ClO4

1

23

45

1'2'

3'

4'5'

6'1''

2''

3''

4''

5''

6''

7''

8''

9''

10''

11''

12''

5'''

5'''

1''' 1'''

272

IR ( , cm-1) 2920, 2872, 1734, 1651, 1083, 812


0.83, t, J = 5.9 Hz, 3H H12’’

1.22, m, 22H H11’’ a 4’’

1.34, m, 2H H3”

1.67, quint, J = 5.9 Hz, 2H H2’’

2.43, s, 6H CH3

3.28, s, 6H CH3

3.95, t, J = 6.3 Hz, 2H H1’’

6.94, d, J = 6.8 Hz, 4H H2’,6’

7.14, d, J = 6.8 Hz, 4H H2’,6’

7.68, s, 2H H2,4


19.07 C12’’

27.20, 30.63, 33.75, 33.81, 33.89, 34.08, 34.11, 34.13, 36.40

C11’’-C2”

53.63 CH3

72.65 C1’’

119.35 C2’,6’

138.22 C3’,5’

163.93 C4’

168.33 C2,4

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C25H43ClN2O5: m/z 486.2861.

Encontrado:

m/z Abundancia

389.206 3

388.167 26

387.137 100

Perclorato de 3-(-4’-(n-dodeciloxifenil)-1,5-diaza-1,5-bis(4-(6-(2,4-diamino-1,3,5-triazinil)fenil)-1,3-pentanodienio (41). En un matraz de 50 mL, provisto con un agitador magnético y al cual se le adapta un refrigerante de reflujo, se colocaron 0.104 g (0.514 mmol) de compuesto (30), 0.125 g (0.256 mmol) de compuesto (40), en presencia de 15

mL de etanol absoluto y de 260 L de ácido acético glacial. La mezcla de reacción se calentó a reflujo por 73 horas (temperatura de la placa de

calentamiento 92 C). Al finalizar el tiempo de calentamiento el producto se aisló por filtración a vacío. Dentro del mismo embudo Büchner se adicionaron en el siguiente orden: 1) 15 mL de alcohol isopropílico. 2) 15 mL de una mezcla de alcohol isopropílico y DIPEA (1:1 v/v). 3) 15 mL de alcohol isopropílico. El producto sólido se colocó en un vaso de precipitados de 50 mL provisto de un agitador magnético, se le adicionaron 20 mL de acetato de etilo y se dejó agitando por 1 hora. El producto se aisló por filtración a vacío. Se obtuvieron

0.068 g (17 %). P.f. 193.5–196.8 C (alcohol isopropílico) con descomposición.

273

IR ( , cm-1) 3730, 3280, 1738, 1634, 1603, 1514, 1392,1285, 814


0.83, t, J = 6,7 Hz, 3H H12’’

1.22, m, 16H H11’’ a 4’’

1.40, m, 2H H3”

1.69, quint, J = 6.8 Hz, 2H H2”

3.96, t, J = 6.8 Hz, 2H H1’’



6.92, d, J = 8.1 Hz, 2H H3’,5’’

7.41, d, J = 8.9 Hz, 4H H2”,6”

7.45, d, J = 8.1 Hz, 2H H2’,6’

8.25, d, J = 8.9 Hz, 6H H3”,5”, H2,4

12.86, pseudo t, 2H NH

EM (MALDI-TOF) (matriz DHB). Calculado para C39H49N12O: m/z 701.4147. Encontrado:

m/z Abundancia

704.722 9

703.711 39

702.693 100

517.471 5

274

3.3.3 Reacciones ácido base 1,5-bis(4-[4,6-di(morfolino)-1,3,5-triazin-2-il]amino)fenil)-3-cloro-1,5-diaza-3(Z)-1,3-pentadieno (42) En un matraz de 25 mL, provisto de un agitador magnético y un septum, se colocaron 0.0514 g (0.0552 mmol) del compuesto (7.4 27) y 10 mL de metanol. A esta disolución se le adicionan lentamente, a través de un embudo con presión compensada, 10 mL de una disolución de 0.0039 g (0.0695 mmol) de hidróxido de potasio en metanol. La mezcla de reacción se dejó bajo agitación vigorosa durante 2 horas. El precipitado sólido aparecido se aisló por filtración

a vacío. Se obtuvieron 0.032 g (74%). P.f. 220-223 C con descomposición.

IR ( , cm-1) 3647, 3331, 2961, 1647, 1258, 1109, 800


3.61, m, 16H H3’’’,5’’’

3.68, m, 16H H2’’’,6’’’

7.13, s ancha, 4H H3’,5’

7.61, d, J = 9.0 Hz, 4H H2’,6’

8.17, s ancha, 2H H2,4



3.62, m, 16H H3’’’,5’’’

3.69, m, 16H H2’’’,6’’’

7.03, d ancho, J = 7.3 Hz, 2H H3’,5’

7.20, d ancho, J = 7.0 Hz, 2H H3’,5’

7.60, s ancho, 4H H2’,6’

8.02, d ancho, J = 13 Hz, 1H H4

8.26, s ancho, 1H H2

9.02, s ancho, 2H 2 x NH



43.30 C2’’’,6’’’

65.98 C3’’’,5’’’

106.08 C2

115.83 C2’,6’

120.28 y 120.68* C3’,5’

134.91 y 135.47* no asignable

137.08 no asignable

139.14 C4’

146.05 C1’

154.39 C2,4

163.85 C2’’

164.70 C4’’,6’’

* Señales desdobladas por el proceso dinámico

275

EM (MALDI-TOF). Calculado para C37H45ClN14O4: m/z 784.3437 Encontrado:

m/z Abundancia

787.754 21

786.767 22

785.744 55

784.737 2

751.737 100

1,5-bis(4-([2,4-diamino-1,3,5-triazin-6-il])fenil-1,5-diaza-3(Z)-1,3-pentadieno (43) El siguiente procedimiento se utilizó para los isómeros (34) y (35). En un matraz de 25 mL, provisto de un agitador magnético y un septum, se colocaron 0.1591 g (0.301 mmol) de compuesto (34) en 5 mL de dimetilformamida y se añadieron 1.215 mL de una disolución de hidróxido de potasio en metanol 0.75 M. La mezcla de reacción se dejó bajo agitación vigorosa por 30 min a temperatura ambiente. Al finalizar el tiempo de reacción, se eliminaron los disolventes por evaporación a vacío. El residuo se lavó sucesivamente con

acetona y con hexano. Se obtuvieron 0.056 g (42%). P.f. 227-230 C con descomposición.

IR ( , cm-1) 3613, 3335, 1738, 1643, 812

1H-RMN (ppm) 80 °C (400 MHz, DMSO-d6)

6.28, t, J = 11.5 Hz, 1H H3


7.46, d, J = 8.4 Hz, 4H H3’,5’

8.31, d, J = 8.4 Hz, 4H H2’,6’

8.87, t, J = 12.6 Hz, 2H H2,4

12.27, d, J = 13.7 Hz, 2H N-H

13C-RMN (ppm) 80ºC (100 MHz, DMSO-d6):

99.79 C3

100.36, 103.13, 105.26, 106.17, 108.79, 111.65, 113.08

No asignables

115.46 C2’,6’

119.40 C3’,5’

124.30 C4’

129.27 C1’

151.72 C4

167.32 C2

169.79 C6’’

170.24 C2’’,4’’

276

1H-RMN (ppm) 25 °C (500 MHz, DMSO-d6)

5.91, t, J = 11.1 Hz, 1H H3


7.12, d, J = 8.2 Hz, 4H H2’,6’

8.19, d, J = 8.2 Hz, 4H H3’,5’

8.20, 2H H2,4



106.17 C3

114.19 C2’,6’

129.5 C3’,5’

167.85 No asignable

170.05 No asignable

EM (MALDI-TOF). Calculado para C21H20N12: m/z 440.1934. Encontrado:

m/z Abundancia

442.195 17

441.188 100

1,5-bis(3-([2,4-diamino-1,3,5-triazin-6-il])fenil-1,5-diaza-3(Z)-1,3-pentadieno (44) Se siguió el procedimiento general para el compuesto (43). Se utilizaron 0.127 g (0.240 mmol) de compuesto (35) en 5 mL de dimetilformamida y se añadieron 1.465 mL de una disolución de hidróxido de potasio en metanol 0.75 M. Se

obtuvieron 0.046 g (43 %). P.f. 233.5-237 C (con descomposición).

IR ( , cm-1) 3460, 3354, 1738, 1626, 1013, 826


5.60, t ancho, J = 10.5 Hz, 1H H3


7.07, d, J = 7.5 Hz, 2H H4’

7.25, t, J = 7.8 Hz, 2H H3’

7.73, d, J = 7.4 Hz, 4H H6’

7.88, s, 2H H2’

7.99, s, 1H NH

8.00, t, J = 10.5 Hz, 2H H2,4


98.26 C3

105.39 No asignable

107.31 C2’

117.75 C6’

121.00 C4’

129.46 C5’

138.79 C4

148.88 C1’

162.77 C2

167.87 C6’’

170,57 C2’’,4’’

277

EM (MALDI-TOF). Calculado para C21H20N12: m/z 440.1934. Encontrado:

m/z Abundancia

443.106 9

442.089 11

441.061 100

1,5-bis(2-([2,4-diamino-1,3,5-triazin-6-il])fenil-1,5-diaza-3(Z)-1,3-pentadieno (45) y 1,5-bis(2-([2,4-diamino-1,3,5-triazin-6-il])fenil-1,5-diaza-3(Z)-1,3-pentadieno-1-amiduro de potasio (46) Se siguió la reacción ácido-base en un tubo de RMN. A una disolución de 15 mg de compuesto (36), en 0.4 mL de DMSO, se le fueron adicionando porciones de hidróxido de potasio, se agitó el tubo fuertemente, se dejó decantar el sólido y se determinaron los espectros de 1H-RMN y 13C-RMN tras cada adición. Producto neutro:


6.45, t, J = 11.4 Hz 1H H3


6.85, s ancha, 1H H6’ anillo A

6.92, d, J = 7.4 Hz, 1H H4’ anillo B

7.09, t, J = 7.3 Hz, 1H H4’ anillo A

7.15, s ancha H5’ anillo A

7.28, d, J = 7.4 Hz, 1H H6’ anillo B

7.33, t, J = 7.3 Hz, 1H H5’ anillo B

7.41, s ancha, 1H H3’ anillo A

7.84, t, J = 12.5 Hz, 1H H4

8.07, d, J = 9.6 Hz, 1H H2

8.41, d, J = 7.7 Hz, 1H H3’ anillo B

12.43, d, J = 12.1 Hz, 2H NH

Anión:

278


5.33, s ancho 1H H3

6.66, t, J = 7.4 Hz, 2H H4’

6.77, d, J = 7.4 Hz, 2H H3’

7.08, t, J = 7.4 Hz, 2H H5’

7.20, t, J = 7.4 Hz, 2H H6’

7.69, d, J = 10.9 Hz, 2H H2,4


101.61 C3

113.87 C2’

117.81 C4’,3’

122.41 No asignable

128.44 C5’

129.31 C6’

129.96 C5’

133.26 No asignable

153.82 C1’

160.35 No asignable

161.22 No asignable

164.39 C2

167.74 C6’’

173.72 C2’’,4’’

279

CAPÌTULO 4. CONCLUSIONES GENERALES

280

4. Conclusiones generales Del trabajo presentado en la presente memoria se pueden extraer las siguientes conclusiones generales

Se han desarrollado dos secuencias de síntesis de bistriazinas unidas por una cadena de estreptocianina.

El primer grupo de compuestos se obtuvo por medio de reacciones de sustitución sobre el cloruro de cianurilo, empleando para-feniléndiamina como espaciador. Las bistriazinas finales se obtuvieron por reacción con derivados de malonaldehido. Se preparó un total de 4 compuestos finales.

En el segundo capítulo se preparó una serie derivados de 2,4-diamino-1,3,5-triazina-6-aminofenil sustituidas, variando la posición del grupo amino. Nuevamente la reacción con derivados de malonaldehido dio lugar a las bistriazinas, en este caso totalmente conjugadas, obteniendo 5 compuestos finales.

Todos los compuestos se caracterizaron por RMN (mono y bidimensional), IR y espectrometría de masas (MALDI). Por RMN, aplicando la técnica DOSY se ha determinado la posibilidad de agregación de los compuestos sintetizados. Asimismo se han realizado experimentos de resonancia dinámica, mono y bidimensionales, para explicar el desdoblamiento observado en las señales de RMN de algunos compuestos, concretamente los que presentan un cloro en la cadena diénica.

Se llevaron a cabo estudios para determinar las propiedades optoelectrónicas de los compuestos finales mediante UV-Visible y fluorescencia y la determinación del rendimiento cuántico. Se ha estudiado el efecto que tienen parámetros como la polaridad del disolvente, concentración, temperatura (por tanto grado de asociación) y adición de base, siendo este efecto el más notable y el que produce un mayor rendimiento cuántico.

La primera serie de bistriazinas se comporta en UV-Visible y fluorescencia como la suma de sus componentes, triazina y sistema de cianina, ya que la conjugación entre ambos se rompe por los grupos amino de la triazina.

En la segunda serie la conjugación está extendida y se observan efectos importantes debido a la unión de los sistemas, triazina y cianina, especialmente cuando los espectros se registran en medio básico. Por ejemplo, desplazamientos batocrómicos de hasta 75 nm y rendimientos cuánticos de 0.3

Se realizaron cálculos computacionales “ab initio” a nivel B3LYP/6-31G* que han permitido determinar las conformaciones y configuraciones más estables de los productos obtenidos. Se ha mostrado que el mejor método ha sido la optimización por partes. Los resultados obtenidos se han comparado con los determinados por RMN, mostrando una buena correlación.

281

Asimismo se ha determinado la energía de los orbitales frontera HOMO y LUMO y la diferencia de energía entre ambos está de acuerdo con lo observado por espectroscopia UV-Visible.

Los compuestos sintetizados, y muy especialmente la segunda serie de bistriazinas con conjugación extendida, abren una nueva vía de futuro en la que se estudiará la posibilidad de utilización en dispositivos OLDE como colorantes orgánicos y se intentará modificar las estructuras para mejorar los rendimientos cuánticos y modular la longitud de onda de emisión.

282

CAPÌTULO 5. BIBLIOGRAFÍA

283

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Tesis León Cedeño

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